verticale

Il deep mixing per applicazioni ambientali - aspetti progettuali e verifica delle prestazioni

L’obiettivo della attività di ricerca è stato quello di fornire utili indicazioni e valido supporto verso la standardizzazione a livello nazionale ed internazionale delle procedure di laboratorio impiegate nei processi di QC/QA associate ad un intervento di Deep Mixing. In particolare, lo scopo è stato quello di analizzare e calibrare la fase di miscelazione e confezionamento dei provini di miscela terreno-legante, apportando un contributo alla definizione dei concetti di “lavorabilità” della miscela e di “applicabilità” della tecnica di confezionamento dei provini stabilizzati. È stato condotto un estensivo programma sperimentale su sette terreni reali eterogenei di Roma e sulla Kawasaki Clay stabilizzati mediante cemento Portland, al fine di indagare l’influenza di differenti tecniche di confezionamento sulle proprietà fisiche e meccaniche dei provini stabilizzati.

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Dottorato, Università la Sapienza di Roma, 2012

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da Alessia De Giosa
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Estratto del testo
Dipartimento di Ingegneria Civile Edile e Ambientale Scuola di Dottorato in Ingegneria Civile e Architettura Dottorato di Ricerca in Ingegneria Ambientale XXV Ciclo Il Deep Mixing per applicazioni ambientali Aspetti progettuali e verifica delle prestazioni

Ing. Enrico Leder Coordinatore: Tutor: Prof. Francesco Gallerano Prof. Massimo Grisolia Novembre 2012 Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale Indice Generale INTRODUZIONE ..................................................................................................... 1 Inquadramento generale della ricerca .................................................................... 1 Obiettivi ed articolazione del lavoro svolto ........................................................... 2 Struttura della tesi .................................................................................................. 3 1. LA TECNICA DEL DEEP MIXING PER APPLICAZIONI AMBIENTALI 5 1.1 Cenni storici ................................................................................................. 5 1.2 Modalità esecutive ....................................................................................... 6 1.2.1 Wet Deep Mixing ................................................................................... 8 1.2.2 Dry Deep Mixing ................................................................................. 11 1.3 Classificazione Deep Mixing Method (DMM) .......................................... 12 1.4 Configurazioni e Applicazioni del trattamento Deep Mixing ................... 13 1.4.1 Barriere verticali impermeabili ............................................................ 14 1.4.2 Stabilizzazione di massa e Solidificazione/Stabilizzazione ................. 17 1.5 Vantaggi ..................................................................................................... 18 1.6 Fattori che influenzano il processo di miscelazione .................................. 19 1.6.1 Numero di rotazione delle lame, parametro T ..................................... 19 1.6.2 Tipologie di legante ............................................................................. 21 1.7 Proprietà dei terreni trattati ........................................................................ 21 1.7.1 Differenze tra proprietà ricavate in laboratorio e in sito ...................... 22 1.7.2 Conducibilità idraulica ......................................................................... 24 1.7.3 Resistenza a compressione non confinata ............................................ 25 1.7.4 Modulo di elasticità .............................................................................. 27 1.8 Durabilità dell''intervento ........................................................................... 27 1.8.1 Meccanismi di degradazione del cemento ........................................... 28 1.8.2 Meccanismi di degradazione di terreni stabilizzati non contaminati ... 29 1.8.3 Meccanismi di degradazione di terreni stabilizzati contaminati .......... 30 1.9 Casi di studio di applicazioni ambientali ................................................... 31 2. STUDIO INTERNAZIONALE SULLE PROCEDURE DI QC/QA ............ 33 2.1 Fasi progettuali ed esecutive ...................................................................... 33 2.2 Prove preliminari di laboratorio (QC) ....................................................... 35 2.2.1 Ricerca internazionale sul Deep Mixing, risultati 2005-2009 ............. 37 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale b 2.2.2 Test 1: Influenza delle tecniche di confezionamento sulla resistenza del terreno trattato ....................................................................................................... 41 2.2.3 Test 2: Influenza della temperatura e del tempo di maturazione ........ 43 2.2.4 Test 3: Influenza del tempo intercorrente tra idratazione del legante e fine compattazione ...................................................................................................... 45 2.3 Controllo di qualità durante l''esecuzione (QC) ......................................... 46 2.3.1 Prelievo di campioni ''wet grab' .......................................................... 48 2.4 Campo prova.............................................................................................. 50 2.5 Assicurazione di qualità (QA) ................................................................... 51 2.5.1 Esposizione di colonne ........................................................................ 51 2.5.2 Prelievo di campioni di miscela indurita ............................................. 53 2.5.3 Prove geotecniche ................................................................................ 54 2.5.4 Prove geofisiche ................................................................................... 55 2.6 Rapporti di visita cantieri Deep Mixing .................................................... 56 2.6.1 Cantiere Wet Deep Mixing 1, zona Baraki-Nakayama ....................... 56 2.6.2 Cantiere Wet Deep Mixing 2, zona Shin-Kiba (baia di Tokyo) .......... 58 2.7 Programma di ricerca internazionale sul Deep Mixing 2009 - 2015 ......... 62 2.7.1 Lavorabilità della miscela terreno-legante ........................................... 63 3. STUDIO SPERIMENTALE, OBIETTIVI E MATERIALI ......................... 69 3.1 Attività presso il ''Soil Stabilisation group' (PARI, Giappone) ................ 69 3.1.1 Obiettivo dello studio sperimentale ..................................................... 69 3.1.2 Materiali e programma delle prove di laboratorio ............................... 72 3.2 Attività presso il ''Foundation group' (PARI, Giappone) ......................... 75 3.2.1 Obiettivo dello studio sperimentale ..................................................... 75 3.2.2 Materiali e programma delle prove di laboratorio ............................... 75 3.3 Attività presso il DICEA - Sapienza Università di Roma ......................... 78 3.3.1 Obiettivo dello studio sperimentale ..................................................... 78 3.3.2 Materiali e programma delle prove di laboratorio ............................... 79 3.4 Attività in collaborazione tra DICEA (Sapienza Università di Roma), Università di Padova e Bauer Group ............................................................................... 84 3.4.1 Obiettivo dello studio sperimentale ..................................................... 84 3.4.2 Materiali e programma delle prove di laboratorio ............................... 85 3.5 Prove di laboratorio ................................................................................... 88 3.5.1 Prova di compressione ad espansione laterale libera (ELL o UCS) .... 89 3.5.2 Prova di conducibilità idraulica in cella triassiale ............................... 92 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale c 4. PROCEDURA PER I TEST DI MISCELAZIONE IN LABORATORIO ASSOCIATI A UN INTERVENTO DEEP MIXING ........................................................ 97 4.1 Attrezzature ................................................................................................ 97 4.1.1 Stampi .................................................................................................. 97 4.1.2 Miscelatore ........................................................................................... 98 4.1.3 Strumenti per il confezionamento dei provini ...................................... 99 4.1.4 Dispositivo per la misura del momento torcente, Mt ......................... 100 4.1.5 Hand vane o Laboratory vane ............................................................ 100 4.1.6 Setaccio ASTM 3/8' (0,95mm) ......................................................... 100 4.1.7 Cassette di maturazione ..................................................................... 100 4.1.8 Miscellanea ........................................................................................ 100 4.2 Materiali ................................................................................................... 101 4.2.1 Terreno ............................................................................................... 101 4.2.2 Legante ............................................................................................... 102 4.3 Calcolo delle quantità dei materiali ......................................................... 102 4.4 Procedura di confezionamento ................................................................. 104 4.4.1 Misura del Momento torcente a vuoto iniziale .................................. 105 4.4.2 Omogeneizzazione dei materiali ........................................................ 105 4.4.3 Fase di miscelazione .......................................................................... 106 4.4.4 Valutazione della lavorabilità ............................................................ 106 4.4.5 Confezionamento dei provini ............................................................. 108 4.4.6 Misura Momento torcente a vuoto finale ........................................... 111 4.4.7 Report ................................................................................................. 111 4.4.8 Estrazione dei provini dagli stampi .................................................... 111 5. RISULTATI ED ANALISI ......................................................................... 113 5.1 Applicabilità tecniche di confezionamento di provini di miscela terreno- cemento - Soil Stabilisation group (PARI) .................................................................... 113 5.1.1 Parametro ''N' - Resistenza qu e peso di volume normalizzati ......... 116 5.1.2 Parametro ''E' - Errori relativi sulla resistenza qu e peso di volume 118 5.1.3 Indice di Applicabilità ........................................................................ 120 5.2 Effetto di ''tire chips' sulle proprietà meccaniche di miscele terreno- cemento - Foundation group (PARI) ............................................................................. 122 5.2.1 Analisi delle tomografie ai raggi X .................................................... 122 5.2.2 Resistenza a compressione ad espansione laterale libera ................... 124 5.2.3 Conducibilità idraulica ....................................................................... 126 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale d 5.3 Lavorabilità miscela terreno-legante ed applicabilità tecniche di confezionamento - Sapienza Università di Roma ......................................................... 128 5.3.1 Parametri normalizzati ed errori relativi ............................................ 131 5.3.2 Indice di Applicabilità ....................................................................... 133 5.3.3 Range di applicabilità delle tecniche di confezionamento (PARI+DICEA) ......................................................................................................... 135 5.3.4 Curva di calibrazione per l''estensione dei risultati ............................ 136 5.3.5 Conducibilità idraulica ....................................................................... 141 5.4 Analisi dei dati relativi ad un campo prova CSM - Sapienza Università di Roma, Università di Padova e Bauer Group ................................................................. 142 CONCLUSIONI .................................................................................................... 145 Lavorabilità delle miscele e Applicabilità delle tecniche di confezionamento . 145 Impiego di ''tire chips' nelle miscele terreno-cemento ..................................... 147 Analisi dei dati relativi ad un campo prova CSM ............................................. 147 Raccomandazioni per future ricerche ................................................................ 148 Contatti .............................................................................................................. 148 APPENDICE A - Formule di passaggio laboratorio/sito ...................................... 149 A.1 Definizioni .................................................................................................. 149 A.2 Calcolo densità della malta cementizia: ..................................................... 150 A.3 Calcolo δ rapporto in peso malta/terreno e γ mix peso di volume miscela terreno-malta: ................................................................................................................ 150 A.4 Calcolo volume malta in 1m 3 di miscela terreno-malta: ............................ 150 A.5 Calcolo Volume di malta in 1m 3 di terreno attraversato e binder factor α: 150 APPENDICE B - Integrazione dei risultati sperimentali ...................................... 154 B.1 Integrazione risultati § 5.1 .......................................................................... 154 B.2 Integrazione risultati § 5.3 .......................................................................... 155 PRODOTTI DELLA RICERCA ........................................................................... 161 ATTIVIT' FORMATIVA .................................................................................... 163 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 165







Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale e
Indice delle Figure
Figura 1.1 - Evoluzione dell''utensile di miscelazione, da quello a singola coclea fino a quello munito di più alberi rotanti con aste dotate di pale o eliche miscelatrici
(Massarch and Topolnicky, 2005). ........................................................................................ 6 Figura 1.2 - Fasi tipiche del trattamento Deep Mixing: posizionamento e penetrazione, estrazione a rotazione invertita, colonna completata e passaggio alla verticale
successiva. L''iniezione della malta cementizia può avvenire in fase di discesa, di risalita o
entrambe. ............................................................................................................................... 7 Figura 1.3 - Macchina Deep Mixing, impianto produzione della malta e pompe (Weatherby, 2012). ................................................................................................................ 8 Figura 1.4 - Metodi wet mixing in Giappone, U.S.A. ed Europa (Yoshida, 2002; Burke, 2002; Topolnicky, 2003)............................................................................................ 9 Figura 1.5 - Metodo TRD: schema, elementi del cutter post e lavorazione in corso (Sehn, 2012). ......................................................................................................................... 9 Figura 1.6 - Metodo Trenchmix, Soletanche Bachy, wet method (Borel, 2007)..... 10
Figura 1.7 - Testa miscelatrice e sequenza costruttiva (Mosser e Arcos, 2012)...... 10
Figura 1.8 - Cutter Soil Mixing, CSM, tecnologia Bauer e Soletanche Bachy (Deschamps 2012). .............................................................................................................. 10 Figura 1.9 - Trattamento dry mixing (Bohem, 2012). ............................................. 11
Figura 1.10 - Tecnologia ALLU per la stabilizzazione di massa (ALLU, 2007). ... 12
Figura 1.11 - Classificazione aggiornata DMM (adattata da Bruce, 2011). ............ 13
Figura 1.12 - Configurazioni tipiche di terreno trattato. .......................................... 14
Figura 1.13 - Schema semplificato di cinturazione mediante barriera verticale. .... 14
Figura 1.14 - Cinturazione mediante barriera verticale in Deep Mixing. ................ 15
Figura 1.15 - Controllo della verticalità sul piano trasversale e longitudinale (CSM). ............................................................................................................................................. 15 Figura 1.16 - Confronto CSM con metodi DM colonnari nell'esecuzione di barriere verticali. ............................................................................................................................... 16 Figura 1.17 - Schemi di fratturazione nel diaframma per carichi asimmetrici. ....... 17
Figura 1.18 - Produzione di tire chips. .................................................................... 17
Figura 1.19 - Applicazioni Deep Mixing per la stabilizzazione/solidificazione di terreni contaminati. .............................................................................................................. 18 Figura 1.20 - Relazione tra il blade rotation number T e la deviazione standard della resistenza di terreno trattato in sito ' (CDIT 2002). ................................................... 21 Figura 1.21 - Permeabilità di terreni stabilizzati misurati in diverse investigazioni in relazione alla resistenza quc dei terreni stabilizzati. ''' provini laboratorio; ''''' colonne
sito ('hnberg, 2003). ........................................................................................................... 23 Figura 1.22 - Relazione tra i valori di resistenza in sito rispetto quelli ricavati su provini di laboratorio in funzione dei diversi studi (Larsson, 2005). .................................. 24 Figura 1.23 - Influenza del tempo di maturazione e del tipo e quantità di legante sulla permeabilità k di argille stabilizzate (Brandl, 1999; 'hnberg, 2003). ........................ 24 Figura 1.24 - Resistenze misurate nel tempo in relazione a diversi leganti per (a) argilla di Löftabro e (b) argilla di Linköping ('hnberg et al., 2003). ................................. 26 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale f Figura 1.25 - Resistenze a compressione UCS misurate nel tempo in relazione a diversi leganti (cemento Portland, CEM I; cemento composito CEM II; cemento con scorie
d''altoforno CEM III) per Argilla limosa e Torba (Van Impe et al., 2007). ........................ 26 Figura 1.26 - Distribuzione con la profondità della resistenza qu a diversi tempi di maturazione (Onimaru et al., 2009). ................................................................................... 28 Figura 1.27 - da sinistra verso destra: provini di argilla stabilizzata con PC e immersi in soluzione di solfato sodico per 18 giorni e soluzione di acido solforico per 36
giorni; provini di argilla stabilizzata con PC-bentonite immersi per 4 giorni in soluzione di
solfato sodico; soluzione di acido solforico (Osman, 2007). .............................................. 30 Figura 1.28 - da sinistra verso destra: provini di argilla stabilizzata con PC-cenere volante e esposti a soluzione di solfato di sodio 10% di cenere volante per 68 giorni e 50%
di cenere volante per 12 giorni; provini di argilla stabilizzata con PC-zeoliti immersi per
1.5 anni in soluzione di solfato sodico e soluzione di acido solforico (Osman, 2007). ...... 30 Figura 1.29 - A sinistra: Trivelle in lavorazione e planimetria dell''intervento a Long Eaton (Al Tabbaa e Evans, 2003); a destra: schema del funzionamento del sistema di Soft
Soil Improvement (Marconi e Mosca, 2010). ..................................................................... 32 Figura 2.1 - Diagramma di flusso per la progettazione ed esecuzione di un intervento Deep Mixing (adattato da Filz, 2012). ............................................................... 34 Figura 2.2 - Prove di laboratorio nelle procedure di QC/QA relative a un intervento Deep Mixing (adattato da Saitoh et al., 1996). .................................................................... 35 Figura 2.3 '' Resistenza a compressione UCS ottenuta in tre laboratori diversi utilizzando la stessa dose di legante (cemento) pari a 150 kg/mc. (Jacobson, 2005). ........ 36 Figura 2.4 - Stampi monouso in metallo e plastica. ................................................ 37 Figura 2.5 - Miscelatore utilizzato per amalgamare acqua e legante, miscelatore (Virginia Tech.) Hobart per miscelare terreno e legante (Helsinki University of
Technology), miscelatore per omogeneizzare il campione di terreno (Swedish Geotechnical
Institute). ............................................................................................................................. 40 Figura 2.6 - Compattazione dinamica e Compattazione statica (SGI institute), Tapping (Helsinki University of Technology). ................................................................... 40 Figura 2.7 - Tapping tramite tavolo con sistema di caduta: caduta da 10 cm di altezza per 100 volte (Dong-Ah); Rodding (Cambridge University). ................................. 40 Figura 2.8 - condizioni di maturazione in presenza di sovraccarico (SGI), in camera umida a temperatura costante, all''interno di contenitori sigillati con strato d''acqua al di
sotto dei provini. .................................................................................................................. 41 Figura 2.9 - Influenza della tecnica di confezionamento sulla resistenza qu: qu- tecnica di compattazione; qu normalizzato-tecnica di confezionamento. ........................... 42 Figura 2.10 - Influenza della tecnica di confezionamento sulle proprietà fisiche del terreno trattato: contenuto d''acqua; peso di volume. .......................................................... 43 Figura 2.11 - Aumento di resistenza con il tempo di maturazione e effetto della temperatura di maturazione per terreni argillosi ad alta plasticità (PARI, DJM) ; argillosi a
bassa plasticità (Dong, CU); torba (CERI, SGI). Le resistenze sono normalizzate rispetto al
valore a 20°/28giorni. .......................................................................................................... 44 Figura 2.12 - Relazione qu normalizzata/tempo di riposo della malta cementizia; relazione qu normalizzata/tempo di riposo della miscela terreno legante. ......................... 46 Figura 2.13 - Baroid Mud Balance. ......................................................................... 47 Figura 2.14 - Schermo a disposizione dell''operatore e restituzione cartacea dei dati di produzione (Deschamps, 2012; Bringiotti, 2010). .......................................................... 48 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale g Figura 2.15 - Tipi di campionatori utilizzati per prelievo di miscela fresca (Deschamps 2012). .............................................................................................................. 49 Figura 2.16 - Due tipologie di campionatori a sezione circolare e rettangolare (Kitazume 2012). ................................................................................................................. 49 Figura 2.17 - Esempi di stampi e tecnica di confezionamento impiegati in un cantiere................................................................................................................................. 50 Figura 2.18 - Esempi di colonne e pannello esposti. ............................................... 52 Figura 2.19 - Pannello CSM estratto ed ingrandimento di inclusione di terreno soffice non trattato (Denies et al., 2012b). .......................................................................... 52 Figura 2.20 - Colonna Deep Mixing estratta ed esecuzione prova di compressione (Bruce 2012). ....................................................................................................................... 52 Figura 2.21 - Campionatore Schnabel per il prelievo di una verticale di terreno trattato (Weatherby, 2012). .................................................................................................. 53 Figura 2.22 - Disturbo dei campioni (Weatherby, 2012). ........................................ 53 Figura 2.23 - Valutazione delle proprietà di una colonna di terreno trattato mediante prova CPT eseguita 5 mesi dopo la realizzazione (Van Impe et al., 2007). ........................ 54 Figura 2.24 - Penetrometro utilizzato nel PORT. .................................................... 55 Figura 2.25 - Penetrometro utilizzato nel PRT. ....................................................... 55 Figura 2.26 - Vista globale del cantiere e partecipanti. Da sinistra verso destra: Mr. Tokunaga (CDM); Dr. Fukushima (Fudo Tetra corporation); Mr. Taguchi (TOA
corporation); Prof. Kitazume (PARI); Dr. Ming (ReCeSS Malesia); il sottoscritto; Dr.
Kilpenainen (VTT); Prof. Heikkila (University of Oulu).................................................... 56 Figura 2.27 - Macchinario CDM impiegato, particolare delle lame miscelatrici rotanti. .................................................................................................................................. 57 Figura 2.28 - Unità di trattamento, schema planimetrico e sezione del trattamento. ............................................................................................................................................. 57 Figura 2.29 - Display operatore: Colonne dei parametri operativi in giallo (da sinistra verso destra profondità (m), velocità (m/min) e portate iniezione (l/m)) e grafico
dell''andamento con il tempo, con evidenziata la fase di bottoming. .................................. 58 Figura 2.30 - Impianto di produzione della malta cementizia. ................................ 58 Figura 2.31 - Sezione della barriera prevista per la futura area di smaltimento, con evidenziato l''intervento di Deep Mixing. ............................................................................ 59 Figura 2.32 - Vista del cantiere mobile POCM-12 e particolare lame miscelatrici e dei 6 ugelli impiegati, di cui 4 posizionati sopra le lame e 2 all''estremità delle stesse. ..... 59 Figura 2.33 - Schema del trattamento ''lattice type' previsto. ................................. 60 Figura 2.34 - Display operatore con andamento della lavorazione con il tempo. ... 61 Figura 2.35 - Particolare silos, vasca di raccolta e tubazioni impiegati. ................. 61 Figura 2.36 - Concetto qualitativo di lavorabilità. ................................................... 63 Figura 2.37 - Hand vane e Laboratory vane impiegati nello studio sperimentale. .. 64 Figura 2.38 - Misurazione mediante cono svedese. ................................................. 65 Figura 2.39 - Misurazioni mediante cono di Marsh e cono di Abrams. .................. 66 Figura 2.40 - Strumento Tattersall Two-Point e Reometro IBB. ............................ 67 Figura 3.1 - Schema dei due tipi di approccio allo studio per il Test series 1. ........ 71 Figura 3.2 - Lista dei partecipanti e programma delle prove di laboratorio (Test Series 1). .............................................................................................................................. 72 Figura 3.3 - Tecniche di confezionamento, da sinistra: N.C., TA., RO., S.C.25, S.C.50, D.C. ......................................................................................................................... 74 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale h Figura 3.4 - Elementi costituenti il terreno artificiale e tire chips impiegati. .......... 76 Figura 3.5 - Fasi di confezionamento dei provini di miscela terreno-cemento-tire chips (aggiunta di tire chips, aggiunta malta cementizia e confezionamento mediante
Tapping) e serie di provini per le prove di permeabilità in fase di compressione testati a 7 e
28 giorni. ............................................................................................................................. 77 Figura 3.6 - CT scanner raggi X, pannello, cella triassiale e pressa impiegati. ...... 78 Figura 3.7 - Dispositivo coppia-angolo USAG e collegamento al miscelatore. ..... 79 Figura 3.8 - Area romana prima degli insediamenti umani. .................................... 80 Figura 3.9 - Cassette di terreni campionati nell''area di Malagrotta, Roma Ovest (si riconoscono i terreni RL, SL, SG ed AP). ........................................................................... 81 Figura 3.10 - Cassette di terreni prelevati nei cantieri della Metro C, Roma Est (si riconoscono i terreni PN, PR e TF). .................................................................................... 81 Figura 3.11 - Distribuzione granulometrica dei sette terreni romani analizzati. ..... 82 Figura 3.12 - Tecniche di confezionamento adottate, da sinistra: N.C., TA., RO.... 83 Figura 3.13 - Area di cantiere vista generale e particolare. ..................................... 85 Figura 3.14 - Alcuni dati di produzione riferiti al pannello X1............................... 86 Figura 3.15 - Prelievo di campioni wet grab in sito, successivamente carotati, e fasi di confezionamento dei provini in laboratorio. ................................................................... 87 Figura 3.16 - Valutazione del binder factor e binder content a partire dai dati di produzione. .......................................................................................................................... 88 Figura 3.17 - Determinazione del diametro (media 6 misure) e dell''altezza (media 3 misure) dei provini mediante calibro. ................................................................................. 89 Figura 3.18 - Macchinari impiegati per le prove di compressione ELL. ................ 90 Figura 3.19 - Tipico foglio di acquisizione dati con grafico sforzi-deformazioni. . 91 Figura 3.20 - Pannello Belladonna, celle di carico, valvole del plinto di base e prove in parallelo in corso (DICEA). ............................................................................................ 93 Figura 3.21 - Attrezzatura impiegata presso il PARI. ............................................. 93 Figura 3.22 - Saturazione del plinto inferiore; posizionamento della carta filtro- pietra porosa-carta filtro; posizionamento del provino e degli O-ring; inserimento della
carta filtro-pietra porosa-carta filtro e testina superiore; inserimento O-ring superiori;
provino installato; riempimento della cella triassiale con acqua; prova in corso (DICEA). 94 Figura 3.23 - Fasi di preparazione della prova presso il PARI. .............................. 95 Figura 3.24 - Tipico foglio di acquisizione dati prova di conducibilità idraulica. .. 96 Figura 4.1 - Stampi cilindrici impiegati nello studio sperimentale. ........................ 98 Figura 4.2 - Miscelatori impiegati. .......................................................................... 98 Figura 4.3 - Curva di livello del miscelatore Kenwood. ......................................... 99 Figura 4.4 - Strumenti per il confezionamento dei provini. .................................... 99 Figura 4.5 - dispositivo coppia angolo USAG e collegamento al miscelatore. ..... 100 Figura 4.6 - Preparazione dei terreni per lo studio sperimentale: KC, RL, SL, SG, APL, PN, PR, TF (§ 3.1.2, 3.3.2). ..................................................................................... 101 Figura 4.7 - Cemento tipo Portland e legante Blitzdammer®. .............................. 102 Figura 4.8 - Esempio foglio dati relativi alla miscelazione in laboratorio. ........... 104 Figura 4.9 - Aggiunta di acqua al terreno ed omogeneizzazione (miscelatori Kenwood e PARI). ............................................................................................................ 105 Figura 4.10 - Preparazione malta cementizia (acqua più cemento) o cemento asciutto. ............................................................................................................................. 105 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale i Figura 4.11 - Aggiunta del legante in forma di malta oppure a secco; pausa per distaccare il materiale attaccato alla lama e alle pareti della ciotola (presso DICEA e presso
PARI). ................................................................................................................................ 106 Figura 4.12 - Misurazione del livello e determinazione Mt. .................................. 107
Figura 4.13 - Misurazione mediante Hand vane e Laboratory vane. ..................... 107 Figura 4.14 - Applicazione grasso spray, inizio confezionamento (presso DICEA e presso PARI) e schema disposizione della miscela nello stampo in tre strati. .................. 108 Figura 4.15 - Tecniche Nessuna Compattazione (N.C.) e Tapping (TA.). ............. 109 Figura 4.16 - Tecniche Rodding RO. e Compattazione Statica S.C.25 e S.C.50. ed esempio di provino difettoso (S.C.25 - m2). ...................................................................... 110 Figura 4.17 - Tecnica Compattazione Dinamica, D.C.; esempio di espulsione di miscela (D.C. - m2). .......................................................................................................... 110 Figura 4.18 - Livellamento della superficie del generico provino. ........................ 110 Figura 4.19 - Disposizione dei provini opportunamente sigillati all''interno della cassetta di maturazione. ..................................................................................................... 111 Figura 4.20 - Fasi di estrazione dei provini dalle due tipologie di stampo, con eventuale trimming. ........................................................................................................... 112 Figura 5.1 - Valori di resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. .................................................. 114 Figura 5.2 - Valori di peso di volume γ per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. .............................................. 114 Figura 5.3 - Valori di resistenza qu normalizzata quN per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. ................. 117 Figura 5.4 - Valori di peso di volume γ normalizzato γN per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. ................. 117 Figura 5.5 - Applicabilità di ciascuna tecnica di confezionamento rispetto al parametro N. ...................................................................................................................... 118 Figura 5.6 - Errori relativi sulla resistenza qu, Equ per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. ................. 119 Figura 5.7 - Errori relativi sul peso di volume Eγ per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. ................. 119 Figura 5.8 - Applicabilità di ciascuna tecnica di confezionamento rispetto al parametro E........................................................................................................................ 120 Figura 5.9 - Indice di Applicabilità - miscele testate presso il PARI. ................... 121 Figura 5.10 - Sezioni trasversali centrali dei provini testati. ................................. 122 Figura 5.11 - Relazione di calibrazione livello di grigio e peso di volume. .......... 123 Figura 5.12 - Sezioni longitudinali e distribuzione del peso di volume dei provini testati. ................................................................................................................................. 123 Figura 5.13 - Curve tensione deformazione per i provini testati, a 7 e 28 giorni di maturazione. ...................................................................................................................... 124 Figura 5.14 - Sezioni trasversali centrali dei provini al variare della deformazione. ........................................................................................................................................... 125 Figura 5.15 - Sezioni longitudinali centrali dei provini a fine prova. .................... 126 Figura 5.16 - Relazione tra conducibilità idraulica iniziale e la deformazione assiale per le diverse miscele analizzate. ...................................................................................... 127 Figura 5.17 - Andamenti della conducibilità idraulica con il volume delle fessure. ........................................................................................................................................... 127 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale j Figura 5.18 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno RL, riporto limoso). ........................................... 128 Figura 5.19 - Parametri normalizzati per le tre tecniche di compattazione impiegate. ........................................................................................................................................... 132 Figura 5.20 - Errori relativi sulla resistenza qu e peso di volume in funzione della lavorabilità delle miscele testate per le tre tecniche di compattazione impiegate. ............ 133 Figura 5.21 - Indice di Applicabilità - miscele testate presso il DICEA. .............. 134 Figura 5.22 - Indice di applicabilità in funzione della lavorabilità per le diverse tecniche di confezionamento. ............................................................................................ 135 Figura 5.23 - Caolino impiegato nello studio sperimentale. ................................. 137 Figura 5.24 - Caratteristiche tecniche del Caolino CAM40 macinato extra white (Bal-Co S.p.a.). .................................................................................................................. 137 Figura 5.25 - Relazione Momento torcente-lettura laboratory vane per wn>50%. 139
Figura 5.26 - Curva di calibrazione del metodo, riferita al materiale Caolino, fissando i parametri del miscelatore: Vm0 = 3dm 3; S h0 = forma di ''K' Kenwood; Rs0 = 10rpm. ............................................................................................................................... 140 Figura 5.27 - Schema tipo per il confronto con altri laboratori. ............................ 141 Figura 5.28 - Valori di conducibilità idraulica in funzione della lavorabilità delle miscele e delle le tecniche di confezionamento a 28 giorni di maturazione. .................... 142 Figura 5.29 - Sezioni tomografiche trasversale e 3D di un provino proveniente dalla miscela di laboratorio. ....................................................................................................... 142 Figura 5.30 - Andamento della resistenza a compressione non confinata, qu. ...... 143
Figura 5.31 - Andamento della conducibilità idraulica, k. .................................... 143 Figura A.1 - Parametri relativi alla miscelazione in laboratorio. .......................... 151 Figura A.2 - Parametri relativi alla miscelazione in sito, ottenuti a partire dallo studio di laboratorio (Figura A.1). .................................................................................... 152 Figura A.3 - Schemi relativi alla miscelazione in sito. .......................................... 153 Figura B.1 - Peso di volume, γ, vs resistenza a compressione qu per i tre gruppi di miscele. .............................................................................................................................. 154 Figura B.2 - Relazioni tra Modulo secante, E50, e resistenza a compressione qu per i tre gruppi di miscele. ......................................................................................................... 154 Figura B.3 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno RL, riporto limoso). ........................................... 155 Figura B.4 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno SL, Sabbia limosa). ............................................ 155 Figura B.5 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno SG, Sabbia ghiaiosa). ......................................... 155 Figura B.6 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno AP, argilla pliocenica). ...................................... 156 Figura B.7 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno PN, Pozzolana nera). ......................................... 156 Figura B.8 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno PR, Pozzolana rossa). ........................................ 156 Figura B.9 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno TF, Tufi argillificati). ......................................... 157 Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale k Figura B.10 - Relazioni tra Modulo secante, E50, e resistenza a compressione qu per le miscele realizzate a partire dai sette terreni reali. .......................................................... 158 Figura B.11 - Andamento dei parametri N ed E - miscele testate presso il DICEA. ........................................................................................................................................... 159 Figura B.12 - Valori del coefficiente di permeabilità in funzione della lavorabilità delle miscele e delle le tecniche di confezionamento a 7 giorni di maturazione............... 160












































Indice _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale l Indice delle Tabelle Tabella 1.1- Parametri operativi per il metodo wet mixing (Massarsch and Topolnicki, 2005) .................................................................................................................. 8 Tabella 1.2- Parametri operativi per il metodo dry mixing ..................................... 12 Tabella 1.3 - Valori tipici per terreni trattati con il Wet Deep Mixing (Bruce e Bruce 2003). ........................................................................................................................ 22 Tabella 1.4 - Fattori che influenzano le proprietà del terreno trattato (Terashi, 1997). ................................................................................................................................... 22 Tabella 1.5 - Rapporti di resistenza a diversi giorni di maturazione. ...................... 25 Tabella 1.6- Relazione tra modulo di elasticità e resistenza qu per diversi terreni. 27 Tabella 2.1 - Procedure di laboratorio esistenti nei diversi paesi (parte1/2) (adattato da Kitazume et al., 2009b). ................................................................................................. 38 Tabella 2.2 - Procedure di laboratorio esistenti nei diversi paesi (parte2/2) (adattato da Kitazume et al., 2009b). ................................................................................................. 39 Tabella 2.3 - Lista dei partecipanti e selezione dei test eseguiti nelle diverse organizzazioni. .................................................................................................................... 41 Tabella 2.4 - Definizioni della funzione di Maturazione proposte in studi precedenti. ........................................................................................................................... 45 Tabella 3.1 - Proprietà della Kawasaki clay. ........................................................... 73 Tabella 3.2 - Caratteristiche delle miscele testate presso il PARI. .......................... 73 Tabella 3.3 - Caratteristiche dei materiali impiegati. .............................................. 75 Tabella 3.4 - Composizione delle miscele studiate (percentuale in peso). .............. 76 Tabella 3.5 - Caratteristiche CT scanner. ................................................................ 77 Tabella 3.6 - Dati tecnici dispositivo di misura del momento torcente. .................. 79 Tabella 3.7 - Proprietà dei sette terreni romani analizzati. ...................................... 82 Tabella 3.8 - Caratteristiche delle miscele testate presso il DICEA........................ 84 Tabella 3.9 - Parametri di produzione riferiti alla quota di 2m dal p.c. per uno spessore di 1 m. ................................................................................................................... 86 Tabella 3.10 - Parametri di produzione relativi alla miscelazione di laboratorio. .. 87 Tabella 4.1 - Livelli di riempimento della ciotola. .................................................. 99 Tabella 4.2 - Pesi di volume stimati per ciascuna miscela terreno-legante. .......... 103 Tabella 4.3 - Confronto delle misure di Mt a vuoto iniziale e finale. .................... 111
Tabella 4.4 - Caolino con contenuti d''acqua wn compresi nel range 0÷90%. ....... 138 Tabella 5.1 - Confronto visivo provini confezionati dalle miscele m2 ed m7. ..... 115 Tabella 5.2 - Rapporti di resistenza qu7/qu28 per le miscele testate. ..................... 116
Tabella 5.3 - Valori medi ottenuti per le tre miscele. ............................................ 125 Tabella 5.4 - Confronto visivo provini stabilizzati (terreno di partenza SG). ....... 129 Tabella 5.5 - Confronto visivo provini stabilizzati (terreno di partenza AP). ....... 129 Tabella 5.6 - Rapporti di resistenza qu7/qu28 per le miscele testate. ..................... 130
Tabella 5.7 - Rapporti E50/qu per le miscele testate; esempio terreno RL. ........... 131 Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale INTRODUZIONE Inquadramento generale della ricerca Il Deep Mixing è un metodo di consolidamento efficace ed economicamente vantaggioso che consiste nel trattamento del terreno mediante miscelazione meccanica
in situ con cemento, calce o altri leganti. Tale metodo prevede generalmente
l''inserimento nel terreno di un utensile rotante su cui sono calettate delle eliche e/o pale
miscelatrici che assicurano la disgregazione del terreno ed il rimescolamento dello
stesso con il legante inserito mediante appositi ugelli. Si viene a formare così una
colonna di materiale che presenta caratteristiche di resistenza, deformabilità e
permeabilità migliori del terreno circostante non trattato. Negli ultimi anni si va sempre più affermando l''impiego di tale metodologia per la realizzazione di diverse configurazioni di consolidamento dei terreni, considerando i
numerosi vantaggi offerti se paragonata con le altre disponibili quali elevata produttività
e limitata produzione di materiale di risulta, che ne favoriscono l''impiego soprattutto
per applicazioni ambientali. Una intensa attività di laboratorio a supporto delle procedure di QC/QA (controllo e assicurazione di qualità) accompagna le diverse fasi di progettazione,
esecuzione e monitoraggio di un intervento Deep Mixing e riguarda per esempio i test
di miscelazione per il confezionamento di provini di miscela terreno-legante o il
prelievo di campioni di miscela fresca o indurita in situ su cui eseguire le opportune
prove di laboratorio. Pur dimostrandosi di assoluta importanza ai fini del buon esito di un intervento di Deep Mixing, le relative procedure di laboratorio impiegate nei processi di QC/QA
non risultano essere ancora standardizzate a livello nazionale ed internazionale, con
evidenti impatti e ricadute. Tale problematica è stata esposta nel corso della conferenza
''Deep Mixing 2005 - The International Conference on Deep Mixing Recent Advances
and Best practice' (Stockholm, Svezia) durante la quale è stato impostato uno studio
internazionale, tutt''ora in corso, che ha visto la pubblicazione dei primi risultati ottenuti
nella conferenza: ''Deep Mixing 2009 - International Symposium on Deep Mixing &
Admixture Stabilization', (Okinawa, Giappone). Il programma di ricerca internazionale ''International Collaborative Study on Deep Mixing Method' attualmente in fase di svolgimento e a cui partecipano tutti gli
esperti nel settore Deep Mixing è coordinato dal Prof. Kitazume (Tokyo Institute of
Technology, ex Port and Airport Research Institute). Lo studio mira in particolare alla
standardizzazione delle procedure di QC/QA sui terreni stabilizzati mediante Deep
Mixing. Gli obiettivi principali della ricerca internazionale all''interno dei quali si
colloca il presente lavoro di tesi di dottorato, sono: provvedere alla redazione di
standard internazionali sulla progettazione, l''esecuzione e il controllo di qualità;
condurre un programma di prove di laboratorio comuni al fine di valutare l''effetto delle Introduzione _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 2 procedure e condizioni di prova sulle proprietà dei terreni stabilizzati; eseguire e
comparare prove in sito e in laboratorio; stimare le proprietà meccaniche e durabilità in
sito mediante prove su miscele confezionate in laboratorio o a partire da campioni
prelevati in sito. I risultati ottenuti dai vari soggetti partecipanti nel corso degli anni
2009 - 2015 saranno presentati nella prossima ''International Conference on Deep
Mixing - 2015', San Francisco, USA. Obiettivi ed articolazione del lavoro svolto Il presente studio sperimentale si propone di fornire utili indicazioni e valido supporto verso la standardizzazione delle procedure di laboratorio impiegate nei
processi di QC/QA (controllo ed assicurazione di qualità) associate ad un intervento di
Deep Mixing. Sono in particolare affrontate la fase di miscelazione e confezionamento
dei provini di miscela terreno-legante e definiti i concetti di ''lavorabilità' della miscela
e di ''applicabilità' della tecnica di confezionamento dei provini stabilizzati. Obiettivi
paralleli, comunque rientranti nell''ambito della ricerca internazionale, sono
rappresentati dallo studio dell''impiego di nuovi additivi per migliorare le caratteristiche
fisico-meccaniche delle miscele terreno-legante e dalla analisi comparativa fra i risultati
ottenuti a partire da campioni prelevati in sito e da provini confezionati in laboratorio. Lo studio sperimentale effettuato può essere schematicamente suddiviso in quattro parti principali che si distinguono essenzialmente per gli obiettivi preposti, per i
materiali utilizzati e per i luoghi in cui si sono svolte. La prima parte dello studio è stata eseguita presso il Port and Airport Research Institute (PARI), Tokyo, Giappone (Ottobre 2010 '' Marzo 2011). Il lavoro svolto in una
prima fase temporale è stato condotto presso il Soil Stabilisation Group. Lo studio mira
a definire l'''applicabilità' di differenti tecniche di confezionamento dei provini
stabilizzati da sottoporre alle diverse prove di laboratorio, largamente impiegate nelle
varie fasi di un intervento di Deep Mixing. Il concetto di applicabilità di una tecnica di
confezionamento è collegato a quello di ripetibilità dei risultati associati alla tecnica
stessa e di omogeneità dei provini realizzati. A tal fine sono state confezionate nove
miscele a diversa lavorabilità, impiegando come terreno l''argilla ''Kawasaki Clay', e
applicando cinque tecniche di confezionamento dei provini, denominate Nessuna
Compattazione, Tapping, Rodding, Compattazione Statica e Compattazione Dinamica.
Sono stati ottenuti 400 provini, testati mediante prove a compressione ELL a diversi
giorni di maturazione. ' stato inoltre possibile instaurare una collaborazione con il Foundation Group (PARI), per uno studio sull''utilizzo di nuovi materiali in ingegneria geotecnica
ambientale. Scopo dello studio è quello di indagare l''effetto dell''aggiunta di ''tire chips'
(granulato di copertone) sulle proprietà meccaniche di una miscela terreno-cemento, da
impiegare nella realizzazione di una barriera impermeabile, al fine di valutarne il
mantenimento dell''efficienza prestazionale in presenza di elevate deformazioni. Una terza parte dello studio sperimentale è stata svolta presso il laboratorio di Geotecnica del Dipartimento di Ingegneria Edile e Ambientale (DICEA) della Sapienza,
Università di Roma. Questa fase ha come obiettivo l''estensione e la validazione dei
risultati ottenuti nella precedente esperienza presso il PARI verso la standardizzazione
delle procedure di laboratorio per differenti tipologie di terreno e lavorabilità della
miscela terreno legante. Il termine ''lavorabilità' è stato assunto come ''la proprietà delle Introduzione _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 3 miscele di essere miscelate in un contenitore e disposte in uno stampo con facilità'. La
lavorabilità è un parametro di difficile quantificazione e valutazione tramite i metodi
comunemente utilizzati, pertanto nel presente lavoro è stata analizzata tale problematica,
proponendo una nuova procedura di misura. Tale procedura è stata poi applicata ai casi precedentemente studiati presso il PARI (miscele a base di Kawasaki clay) e su miscele terreno-cemento realizzate a
partire da sette terreni reali tipici dell''area romana per determinare le lavorabilità delle
miscele. Sono così stati confezionati ulteriori 450 provini impiegando le tre tecniche
Nessuna Compattazione, Tapping e Rodding, successivamente testati mediante prove di
compressione ELL e prove di permeabilità a diversi giorni di maturazione. ' stata infine avviata una collaborazione con l''Università di Padova e la Bauer Group per uno studio relativo ad un campo prova di Cutter Soil Mixing in Zandvoort
(Olanda). A partire dai dati di produzione dei pannelli di prova sono stati correlati i
parametri di miscelazione in sito e in laboratorio. Sono state effettuate prove
meccaniche e fisiche su provini di miscela terreno-legante realizzati in laboratorio
seguendo il medesimo mix design. Unitamente all''attività di laboratorio è stata condotta una ricerca bibliografica aggiornata al 2012 sullo stato dell''arte della tecnologia del Deep Mixing con particolare
riguardo alle ultime innovazioni tecnologiche e alle recenti procedure di QC/QA, basata
sulle più importanti pubblicazioni scientifiche e su contatti diretti con ricercatori del
settore. Struttura della tesi La tesi è suddivisa in 5 Capitoli e 2 Appendici. Nel primo Capitolo è concentrata l''attenzione sull''impiego vantaggioso della metodologia del Deep Mixing per la
realizzazione di diverse configurazioni di consolidamento dei terreni e soprattutto per
applicazioni ambientali quali la realizzazione di barriere verticali impermeabili e gli
interventi di Solidificazione/Stabilizzazione in presenza di siti contaminati. Nel
Capitolo 2 sono descritte in dettaglio le procedure di QC/QA relative alle diverse fasi
progettuali ed esecutive di un intervento Deep Mixing insieme con i risultati preliminari
e gli obiettivi futuri associati allo studio internazionale. Nel Capitolo 3 sono descritti gli
obiettivi, i materiali impiegati ed i programma delle prove di laboratorio relative alle
diverse fasi dello studio sperimentale, schematizzabile in quattro parti principali. Le
procedure di laboratorio impiegate per la valutazione della ''lavorabilità' della miscela
terreno-legante e per il confezionamento di provini stabilizzati vengono descritte al
Capitolo 4. Infine nel Capitolo 5 sono descritti e discussi in dettaglio i risultati ottenuti
nelle diverse attività sperimentali, e successivamente sono presentate le conclusioni del
lavoro insieme ad una serie di raccomandazioni ed indirizzi per future ricerche ed una
lista di utili riferimenti bibliografici. In Appendice A sono riportate le formule
impiegate per il passaggio dei parametri di miscelazione dal laboratorio al sito, mentre
in Appendice B è presentata un''integrazione ai risultati sperimentali descritti al Capitolo
5.




Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 1. LA TECNICA DEL DEEP MIXING PER APPLICAZIONI AMBIENTALI In base alla classificazione dei metodi di consolidamento dei terreni adottata dal Technical Committee TC 211 (ex TC 17) - Ground Improvement (riportata in Chu et
al., 2009), la tecnologia del Deep Mixing rientra all''interno della Categoria ''D:
Consolidamento con aggiunta di miscele' ed è definita come: ''trattamento del terreno
mediante miscelazione meccanica in situ con cemento, calce o altri leganti'. Il Deep Mixing è un metodo di consolidamento efficace ed economicamente vantaggioso che consiste nell''inserimento nel terreno di un utensile rotante su cui sono
calettate delle eliche e/o pale miscelatrici, che assicurano la disgregazione del terreno ed
il rimescolamento dello stesso con il legante inserito mediante appositi ugelli. Si viene
a formare così una colonna di materiale che presenta caratteristiche di resistenza,
deformabilità e permeabilità migliori del terreno circostante. Come illustrato nel capitolo, il termine ''Deep Mixing Method', DMM, comprende una serie di metodi che sfruttano lo stesso principio ma differiscono per gli
utensili di miscelazione, per la modalità di inserimento della malta cementizia nel
terreno, etc. In particolare in questo capitolo si concentra l''attenzione sull''impiego vantaggioso della metodologia del Deep Mixing per la realizzazione di diverse
configurazioni di consolidamento dei terreni e soprattutto per applicazioni ambientali
quali la realizzazione di barriere verticali impermeabili e gli interventi di
Solidificazione/Stabilizzazione in presenza di siti contaminati. Sono inoltre riportati
alcuni studi relativi alle proprietà fisiche e meccaniche dei terreni trattati e alla loro
durabilità nel tempo e in presenza di ambienti aggressivi. 1.1 Cenni storici Il principio del metodo ebbe origine negli Stati Uniti dove, nel 1954, una singola coclea fu utilizzata per mescolare il legante con il terreno (Figura 1.1). In Svezia ebbe
inizio nel 1967 l''utilizzo del metodo delle colonne di calce, basato sulla miscelazione in
situ del terreno con calce viva per formare colonne indurite. In Giappone negli anni ''60
fu sviluppato il metodo del MIP (Mixed In Place), negli anni ''70 il CMC (clay mixing
consolidation method), mentre nel 1975 fu messo a punto il metodo ''per via umida',
DCM (Deep Cement Mixing), in cui il legante veniva premiscelato con acqua e
successivamente iniettato nel terreno. Il primo grande progetto offshore che ha visto
l''impiego di tale metodo è il ''Daikoku Pier' del 1977, durato circa 10 anni. Nel 1978
gli ingegneri giapponesi iniziarono lo studio della miscelazione meccanica profonda ''a
secco', su modello svedese, che portò alla messa a punto del metodo DJM (Dry Jet
Mixing), il cui primo impiego risale al 1981. Negli USA la Geocon Inc. introdusse nel 1987-89 i metodi DSM (Deep Soil Mixing) e SSM (Shallow Soil Mixing), in particolare impiegati per la realizzazione di Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 6 diaframmi di sostegno allo scavo. Lo sviluppo in Europa iniziò negli anni ''80,
inizialmente come alternativa economica alla tecnologia del jet grouting, in particolare
MIP (Bauer, 1987), Colmix (Soletanche, 1988), Trevimix (Trevi, 1991), Keller (1995).
Successivamente a questi primi sviluppi, un gran numero di aziende hanno ideato ed
ottimizzato propri processi di miscelazione, elaborando un''ampia varietà di tecniche. Le
terminologie impiegate per le diverse tecnologie sono riportate in Porbaha (1998) e
Bruce (2005, 2011). Figura 1.1 - Evoluzione dell''utensile di miscelazione, da quello a singola coclea fino a quello munito di più alberi rotanti con aste dotate di pale o eliche miscelatrici (Massarch and Topolnicky, 2005). 1.2 Modalità esecutive La miscelazione meccanica del terreno avviene tipicamente tramite l''impiego di alberi rotanti cavi, dotati di uno strumento di taglio all''estremità inferiore; l''asta al di
sopra dello strumento può essere munita di ulteriori pale o eliche miscelatrici che
assicurino la corretta miscelazione tra il terreno e le malte introdotte. Gli alberi rotanti
sono montati verticalmente su di un mezzo adatto (solitamente munito di ruote cingolate
per poter lavorare sui diversi terreni) e possono essere in numero da uno a otto
(tipicamente da due a quattro) per mezzo, in funzione del progetto, della variante del
metodo usato e del fornitore. Il trattamento viene di solito portato a termine in due fasi.
Nella prima fase l''utensile è fatto avanzare nel suolo fino alla profondità voluta,
disgregando e miscelando meccanicamente il terreno; nella seconda fase, si preleva lo
strumento miscelatore invertendo il verso di rotazione (Figura 1.2). L''iniezione della
malta può avvenire in fase di discesa, di risalita o entrambe seguita dalla miscelazione
della stessa con il suolo. Lo scopo del processo di miscelazione è quello di diffondere il
legante nel terreno in modo da creare le condizioni migliori affinché avvengano le
reazioni chimiche di idratazione. ' molto importante quindi che le particelle di legante
siano uniformemente distribuite nel volume della colonna, sia in direzione longitudinale
sia trasversale, per ottenere ovunque le medesime caratteristiche di resistenza e
deformazione. Si possono anche effettuare dei cicli continui di penetrazione e recupero,
per migliorare la disgregazione del terreno e aumentare il grado di omogeneizzazione
della miscelazione. Questo obiettivo può essere raggiunto anche modificando i
parametri operativi della macchina: velocità di penetrazione e rotazione, numero di
rotazioni delle lame, quantità di legante iniettato. Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 7 Ripetendo la sequenza costruttiva (le infissioni adiacenti vengono, per sicurezza, parzialmente sovrapposte), è possibile ottenere per esempio una barriera continua,
formata da una serie di colonne. Figura 1.2 - Fasi tipiche del trattamento Deep Mixing: posizionamento e penetrazione, estrazione a rotazione invertita, colonna completata e passaggio alla verticale successiva. L''iniezione della malta cementizia può avvenire in fase di discesa, di risalita o entrambe. Nel corso degli anni sono state ideate e realizzate diverse tecnologie di Deep Mixing, che possono essere suddivise in due grandi famiglie in funzione del metodo di
miscelazione: per via umida, Wet Deep Mixing, in cui il legante viene introdotto
miscelato con acqua; per via secca, Dry Deep Mixing in cui il legante, granulare o in
polvere, viene introdotto mediante aria compressa (Porbaha et al., 1998). Le due
alternative offrono vantaggi diversi, devono quindi essere valutate individualmente in
relazione alle specifiche condizioni di sito. Oltre alla calce ed al cemento, possono
essere impiegati altri agenti quali ad esempio gesso, fly ash, scorie d''alto forno, etc. Le caratteristiche ottenibili dipendono soprattutto dal tipo di suolo di partenza, dalle variabili costruttive (principalmente il metodo di miscelazione), dai parametri
operativi (come per esempio la velocità di penetrazione e di risalita, velocità di
rotazione, numero di rotazione delle lame T - vedi § 1.6.1, quantità di legante introdotta
e fasi di iniezione) e dalle caratteristiche dell''agente legante. E'' necessario minimizzare
e quantificare l''incertezza nella conoscenza dell''influenza di tali caratteristiche, tramite
l''applicazione di opportune procedure di QC/QA (controllo di qualità e assicurazione di
qualità) durante tutte le diverse fasi di un intervento di Deep Mixing, che includano
procedure e prove di laboratorio appropriate e test in sito (§ 2). I principi della progettazione geotecnica sono attualmente riportati nell''Eurocodice 7 ENV 1997-1 1993. Gli aspetti di progettazione relativi all''esecuzione
del Deep Mixing sono descritti nelle European Standard prEn 14679 ''Execution of
special geotechnical works '' Deep Mixing' (2004), in cui sono presenti i requisiti di
costruzione e supervisione, tra cui il metodo di installazione, la scelta del legante, prove
di laboratorio e in sito e i loro effetti sul comportamento finale della colonna di terreno
trattato. Nella norma manca comunque la parte relativa alle procedure di laboratorio
associate alle fasi di QC/QA di un intervento Deep Mixing, che quindi non risultano
essere standardizzate. Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 8 1.2.1 Wet Deep Mixing Il Wet Deep Mixing consiste nella miscelazione in sito del terreno con una miscela di acqua e legante (generalmente cemento) ed eventualmente additivi. L''attrezzatura è costituita da una macchina operatrice con una torre di perforazione costituita da una o più aste attrezzate con porzioni di spirale (terreni
incoerenti) o lame (terreni coesivi). Ogni batteria termina con un utensile di
perforazione provvisto di ugelli che consentono la fuoriuscita della malta cementizia
necessaria. Il legante viene precedentemente miscelato con additivi e acqua e quindi
stoccato in opportuni silos. L''impianto di confezionamento e pompaggio del legante
prevede un agitatore per la realizzazione della malta che successivamente passa alla
pompa per l''invio alle batterie di perforazione (Figura 1.3). La quantità di legante
immesso può essere modificata in funzione della tipologia di terreno incontrato. Figura 1.3 - Macchina Deep Mixing, impianto produzione della malta e pompe (Weatherby, 2012). Sono molteplici le tecnologie disponibili, di cui si riportano alcuni esempi in Figura 1.4. La malta cementizia può essere iniettata nel terreno in fase di penetrazione
ed estrazione (sistema mono-fase). In tal caso è garantita una elevata velocità di
estrazione ed una maggiore produttività rispetto al metodo che prevede invece l''impiego
di un latte bentonitico in fase di discesa per agevolare l''inserimento delle aste
miscelatrici e la successiva iniezione della malta cementizia solo in fase di risalita
(sistema bi-fase); tale sistema garantisce però una maggiore sicurezza per lavori ad
elevate profondità o in caso di interruzioni del lavoro e talvolta risulta essere l''unico
metodo praticabile in presenza di terreni consistenti (Bringiotti, 2010). I valori tipici dei
parametri operativi utilizzati per la realizzazione di interventi di Deep Mixing con il
metodo wet in Europa e in Giappone sono riportati nella Tabella 1.1. Tabella 1.1- Parametri operativi per il metodo wet mixing (Massarsch and Topolnicki, 2005) Parametro Europa Giappone Giappone (mare) Velocità di penetrazione (m/min) 0.5 ÷ 1.5 1.0 1.0 Velocità di recupero (m/min) 3.0 ÷ 5.0 0.7 ÷ 1.0 1.0 Velocità di rotazione delle lame (riv/min) 25 ÷ 50 20 ÷ 40 20 ÷ 60 Quantità di legante iniettato (kg/m 3) 80 ÷ 450 70 ÷ 300 70 ÷ 300 Fase di iniezione Penetrazione e/o recupero Penetrazione e/o recupero Penetrazione e/o recupero Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 9 Figura 1.4 - Metodi wet mixing in Giappone, U.S.A. ed Europa (Yoshida, 2002; Burke, 2002; Topolnicky, 2003). Un metodo di miscelazione del terreno per eseguire setti continui nel sottosuolo sviluppato di recente è il metodo TRD (Trench cutting Remixing Deep wall method,
Kamon, 2000; Sehn, 2012). Attraverso il movimento continuo della catena montata sul
''cutter post', la miscela intorno alla fresa forma vortici e avviene una miscelazione
turbolenta che coinvolge l''intera verticale di trattamento, con possibilità di aumentare il
grado di omogeneizzazione della miscela terreno-legante anche in presenza di terreni
stratificati e annullando la presenza di giunti (elementi di debolezza del sistema). La
profondità dello strumento miscelatore viene modificata inserendo o eliminando gli
elementi che costituiscono il cutter post (Figura 1.5). Figura 1.5 - Metodo TRD: schema, elementi del cutter post e lavorazione in corso (Sehn, 2012). Sviluppo parallelo del metodo è rappresentato dalla tecnologia Trench mixing (Borel, 2007), in cui viene utilizzato un elemento miscelatore continuo e non
scomponibile, che può essere impiegato fino a profondità di circa 8 m (Figura 1.6). '
possibile inviare sia una malta cementizia (wet method) che prevedere l''impiego di un
legante in polvere che viene disposto nella trincea di guida (dry method). Tali
tecnologie possono essere adoperate con successo per interventi di cinturazione di siti
contaminati, come per esempio riportato da Al Tabbaa et al. (2009), per i vantaggi insiti
nella creazione di un diaframma continuo in assenza di giunzioni (§ 1.4.1). Borel (2007)
e Mosser e Arcos (2012) riportano anche l''impiego di uno strumento miscelatore avente
due lame miscelatrici che si espandono alla profondità desiderata mediante
l''azionamento di molle (Figura 1.7). Tale strumento viene in particolare utilizzato per il
consolidamento di rilevati ferroviari, visto che permette l''esecuzione di fori di
installazione di dimensioni ridotte (diametro 168mm) che garantiscono una maggiore Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 10 semplicità di inserimento attraverso il ballast, riducendo il rischio di collasso del foro e
garantendo un diametro delle colonne di terreno trattato pari a circa 400mm. Figura 1.6 - Metodo Trenchmix, Soletanche Bachy, wet method (Borel, 2007). Figura 1.7 - Testa miscelatrice e sequenza costruttiva (Mosser e Arcos, 2012). La possibilità di adottare le classiche tecnologie del Deep Mixing è fortemente legata alla stratigrafia del sito. Infatti l'avanzamento con le eliche o pale, può essere
molto difficoltoso in terreni con frazioni ghiaiose dell'ordine del 30% e, in alcuni casi,
in corrispondenza di livelli francamente ghiaiosi e/o litoidi, l'avanzamento può essere
addirittura impedito. Il metodo Cutter Soil Mixing, CSM, sviluppato da una
collaborazione tra Bauer e Soletanche Bachy iniziata nel 2003, estende l''utilizzo della
tecnica wet mixing anche ai terreni più consistenti e alle rocce tenere (Figura 1.8). Figura 1.8 - Cutter Soil Mixing, CSM, tecnologia Bauer e Soletanche Bachy (Deschamps 2012). La tecnologia CSM fa uso di due set di ruote fresanti che girano su di un asse orizzontale; due sistemi di trasmissione sono connessi ad uno speciale supporto il quale, Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 11 a sua volta, viene collegato e connesso ad un sistema di prolunga kelly. Il kelly è
montato sul mast principale della macchina di scavo per mezzo di due slitte che guidano
ed estraggono l''utensile e, se necessario, lo ruotano. Durante la fase di discesa delle
teste fresanti il terreno viene frantumato e disgregato dalle ruote mentre al contempo il
latte bentonitico o la malta cementizia viene iniettata da un apposito ugello situato tra le
teste stesse; durante la fase di estrazione la rotazione è regolata in maniera tale da
mescolare il legante con il terreno e formare un pannello rettangolare. 1.2.2 Dry Deep Mixing Nel Dry Deep Mixing il presupposto affinché possano avvenire le reazioni chimiche che legano le molecole d''acqua presenti nel terreno alle molecole di legante è
ovviamente che il terreno sia immerso in falda o che comunque presenti un livello
d''umidità sufficiente al completo sviluppo delle reazioni di idratazione. L''attrezzatura
necessaria è di dimensioni decisamente inferiori rispetto a quella richiesta per il wet
mixing, ed è costituita dal gruppo principale di perforazione e trattamento, da un gruppo
di stoccaggio ed invio del legante in polvere e da un gruppo di stoccaggio dell''aria
compressa (Figura 1.9); se necessario è presente anche un gruppo di alimentazione
d''acqua per umidificare eventuali livelli aridi. Tale metodo prevede generalmente
l''immissione del legante in fase di risalita, per evitare che la miscela terreno-legante
inizi a far presa già in fase di penetrazione e si possano quindi avere problemi nel
recuperare l''utensile miscelatore. Le quantità di refluo prodotto sono notevolmente
inferiori (a volte pari a zero) rispetto all''impiego del metodo wet mixing. Figura 1.9 - Trattamento dry mixing (Bohem, 2012). Le due principali tecniche di miscelazione a secco sono la DJM Dry Jet Mixing ed il metodo della colonna calce-cemento, oggi definite rispettivamente come tecnica
''giapponese' e ''nordica' secondo la norma UNI EN 14679 (2005). Sono riportate in
Tabella 1.2 le principali differenze tra i due metodi. I macchinari impiegati per il metodo Wet montano generalmente il motore elettrico sopra le aste rotanti, in modo da agevolare con il peso proprio la fase di
penetrazione; ciò porta ad eventuali problemi di instabilità del macchinario quando
l''asta è alzata del tutto (massa concentrata) e a una maggiore potenza dei motori
impiegati, per estrarre le aste (e il motore) una volta raggiunta la profondità di Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 12 trattamento. Nei macchinari impiegati per il metodo Dry, tipicamente più leggeri, il
motore è generalmente posizionato in basso, quindi è necessario considerare una spinta
aggiuntiva in fase di penetrazione, perché il peso delle sole aste potrebbe non essere
sufficiente. Tabella 1.2- Parametri operativi per il metodo dry mixing Parametro Nord Europa Giappone Velocità di penetrazione (m/min) 2.0 ÷ 6.0 1.0 ÷ 2.0 Velocità di recupero (m/min) 1.5 ÷ 6.0 0.7 ÷ 0.9 Velocità di rotazione delle lame (riv/min) 100 ÷ 200 24 ÷ 64 Quantità di legante iniettato (kg/m 3) 100 ÷ 250 100 ÷ 300 Fase di iniezione Recupero Penetrazione e/o Recupero Un innovativo macchinario Dry mixing è quello utilizzato per la stabilizzazione di massa (§ 1.4.2) (Figura 1.10), che prevede l''attacco di un opportuno utensile
miscelatore su di un escavatore con iniezione del legante nel terreno in corrispondenza
del tamburo rotante miscelatore (Hoikkala et al., 1996). Tale strumentazione di
miscelazione superficiale si rivela particolarmente economica per profondità fino a 3-
5m ed in presenza di aree di trattamento estese. Un recente sviluppo è rappresentato
dall''unità di miscelazione ALLU PMX, dotato di rulli inclinati e struttura affusolata che
garantiscono una penetrazione ottimale anche attraverso le superfici più dure (ALLU,
2007). Figura 1.10 - Tecnologia ALLU per la stabilizzazione di massa (ALLU, 2007). 1.3 Classificazione Deep Mixing Method (DMM) Esistono all''incirca 24 metodi che vanno sotto il nome di Deep Mixing. In Figura 1.11 è rappresentate la classificazione dei Deep Mixing Method (DMM) secondo
Bruce (2011), che aggiorna la precedente catalogazione del 2005, basata sulle seguenti
caratteristiche: a) Il mezzo con cui viene introdotto il legante: aria compressa nel caso del Dry mixing (D) o miscela d''acqua nel caso del Wet mixing (W). b) Il metodo di penetrazione nel terreno e/o di immissione dell''agente legante: sfruttando solamente la rotazione con il legante introdotto ad una pressione
relativamente bassa (R) o rotazione della trivella con jet-iniezione della miscela ad alte
pressioni (J). Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 13 c) La posizione, o distanza verticale degli ugelli che immettono la miscela nel terreno: in alcuni sistemi, la miscela è immessa solamente alla estremità dell''asta (o
entro un diametro di colonna da tale estremità) (E), mentre in altri sistemi la
miscelazione avviene per tutta la lunghezza (o per una porzione significante) dell''asta
(S). La classificazione del 2011 tiene in conto l''introduzione di tecnologie innovative quali il CSM e il TRD, descritte in precedenza (§1.2.1). Viene quindi operata una
distinzione circa l''orientamento dell''asse di rotazione delle eliche disgregatrici:
verticale, orizzontale o creazione di una trincea continua. Segue la classica distinzione
tra Wet e Dry mixing, a Rotazione (R) e a Jettiniezione (J) esclusivamente per le eliche
ad asse di rotazione verticale. Figura 1.11 - Classificazione aggiornata DMM (adattata da Bruce, 2011). 1.4 Configurazioni e Applicazioni del trattamento Deep Mixing In funzione delle applicazioni, gli elementi colonnari di terreno trattato possono essere realizzati secondo molteplici geometrie, mostrate in Figura 1.12, che prevedono
l''esecuzione di singoli elementi (fondazioni di opere), la realizzazione di file continue
di colonne sovrapposte (sostegno allo scavo, stabilità di argini, barriere verticali), il
trattamento a griglia (riduzione rischio di liquefazione) o il trattamento massivo
(consolidamento dei terreni, stabilizzazione di terreni contaminati) (Porbaha et al.
1998). La geometria scelta dipende, oltre che dallo scopo dell''intervento di miglioramento dei terreni, anche dalle capacità meccaniche e dalle caratteristiche del
metodo di Deep Mixing utilizzato. Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 14 Figura 1.12 - Configurazioni tipiche di terreno trattato. Per quanto riguarda le applicazioni ambientali, si fa riferimento in particolare alle barriere verticali impermeabili e al trattamento di stabilizzazione/solidificazione. 1.4.1 Barriere verticali impermeabili Il confinamento dei siti contaminati mediante cinturazione con diaframmi verticali, rappresenta uno degli interventi più diffusi per contenere e delimitare flussi di
sostanze inquinanti nel sottosuolo (Figura 1.13) Il loro utilizzo è previsto nel caso in cui
la bonifica di un''area contaminata risultasse impraticabile, per via dei rischi connessi
alle operazioni di scavo e trasporto, o nel caso l''estensione della contaminazione sia tale
da rendere gli altri provvedimenti troppo costosi (D.lgs 152/2006). Figura 1.13 - Schema semplificato di cinturazione mediante barriera verticale. Tra le varie tecnologie esecutive disponibili per la costruzione dei diaframmi, l''impiego del Deep Mixing è confermato essere una delle scelte più efficaci (Al-Tabbaa
et al., 2011). L''impiego di tale tecnica presenta diversi vantaggi legati alla possibilità di
realizzare una barriera continua senza asportazione e movimentazione del terreno
inquinato. Ulteriori vantaggi sono legati alla maggiore velocità di produzione, elevato
controllo di qualità, minore rumore rispetto alle tecniche convenzionali dei diaframmi
plastici o delle barriere ad infissione (palancolati) (Day and Ryan, 1995). Tali paratie
sono create da una serie di colonne di terreno trattato a bassa permeabilità sovrapposte
tra loro in modo tale da intercettare i moti di filtrazione dell''acqua (Figura 1.14). La barriera continua di colonne sovrapposte può avere uno spessore variabile tra i 50 e 90 cm per profondità anche di 40 m. Il coefficiente di permeabilità è fortemente
influenzato dal tipo di terreno: valori inferiori a 1·10 -9 m·s-1 possono comunque essere raggiunti. Si richiama il fatto che i diaframmi con funzione di barriera idraulica di Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 15 protezione ambientale devono avere, secondo normativa, un coefficiente di permeabilità
a 28 giorni inferiore a 1'10 -9 m/s. Figura 1.14 - Cinturazione mediante barriera verticale in Deep Mixing. Le colonne attraversano generalmente gli strati più permeabili per andare ad intestarsi nel substrato impermeabile. Spesso si prevedono dei cicli aggiuntivi di
penetrazione e recupero concentrati nella parte inferiore della colonna per assicurare
una migliore miscelazione e omogeneità di trattamento in corrispondenza
dell''immorsamento con il substrato: tale fase viene comunemente denominata
''bottoming'. Le miscele da impiegare nel trattamento possono essere addizionate con
una serie di reagenti per ridurre la dispersione del suolo contaminato. Assolutamente
necessari si rivelano essere quindi gli studi preliminari in laboratorio per la scelta della
miscela di progetto (Al-Tabbaa e Evans, 1999). Per assicurare la continuità strutturale ed idraulica del diaframma, i singoli pannelli devono essere scavati in modo da risultare verticali, con una tolleranza non
superiore allo 0,2% in entrambe le direzioni (parallela x e perpendicolare y all''asse del
diaframma, Figura 1.15, riferita all''impiego del metodo CSM). Figura 1.15 - Controllo della verticalità sul piano trasversale e longitudinale (CSM). Per rispettare questi valori, il pannello viene scavato monitorando in maniera accurata e continua, in funzione della profondità, ogni deviazione dalla verticale in
entrambe le direzioni, per consentire all''operatore di intervenire immediatamente e Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 16 correggere ogni tendenza ad ulteriori deviazioni dalla verticale. Considerando il caso
dell''impiego del metodo CSM, è possibile cambiare l''inclinazione del pannello: - per correggere la deviazione lungo la x, modificando la direzione di rotazione delle ruote o la velocità di rotazione delle stesse. - per intervenire lungo la y, si può interrompere l''avanzamento, eseguire un breve tratto in risalita e vibrare leggermente il mast; successivamente riprendere
l''avanzamento. Rispetto alle realizzazioni Deep Mixing con tecniche rotary tradizionali, con il CSM si possono ottenere direttamente paratie e diaframmi di geometria regolare
evitando gli elevati sfridi classici delle tecniche a rotazione. Quando consideriamo un
muro di colonne secanti, i diametri delle colonne devono essere più grandi dello
spessore del pannello rettangolare per produrre una sezione di larghezza equivalente.
Questo significa che quando usiamo la tecnica CSM tratteremo una quantità minore di
terreno per ottenere lo stesso effetto; chiaramente questo significa risparmiare energia e
materiale (Figura 1.16). Riguardo i diaframmi idraulici nei quali è di fondamentale
importanza la corretta realizzazione dei giunti ai fini della tenuta, la tecnologia CSM
permette la realizzazione di elementi continui con adeguate sovrapposizioni dei pannelli
senza particolari problemi. Nei diaframmi di colonne intersecanti, invece, ottenere la
continuità risulta più difficoltoso essendo maggiori il numero di giunzioni presenti a
parità di estensione del diaframma. Maggiormente vantaggioso sotto tale aspetto risulta
essere l''impiego delle tecnologie TRD o Trenchmix (§ 1.2.1), mediante le quali è
possibile realizzare una barriera continua in assenza di giunti, anche se sono presenti
delle limitazioni relativamente agli spessori della diaframma e alle profondità
raggiungibili. Figura 1.16 - Confronto CSM con metodi DM colonnari nell'esecuzione di barriere verticali. In alcuni casi i diaframmi realizzati possono essere soggetti a fratturazione originata da movimenti del terreno con componente trasversale alla barriera che
possono accadere in seguito all''applicazione di carichi asimmetrici o forti differenze di
gradiente tra monte e valle dell''opera (Figura 1.17). Tale problema può compromettere
l''integrità e la funzionalità della barriera. Barriera in CSM Barriera tradizionale Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 17 Figura 1.17 - Schemi di fratturazione nel diaframma per carichi asimmetrici. Yasuhara (2007) Hazarika et al. (2010) propongono a tal fine l''impiego di ''tire chips' (granulato di copertone) in aggiunta a miscele terreno-cemento al fine di
aumentarne la duttilità, evitando il comportamento fragile e con la possibilità quindi di
garantire l''efficienza prestazionale in presenza di elevate deformazioni. Le ''tire chips'
sono realizzate separando automaticamente la gomma del copertone dal ferro e dalla
fibra tessile in modo da formare un prodotto finale di gomma caratterizzato da
opportune granulometrie (Figura 1.18). Ulteriori applicazioni geotecniche di tale
materiale riguardano l''impiego come materiale di riempimento per rilevati o a tergo di
muri di sostegno, strato di smorzamento delle vibrazioni, strato di isolamento antigelo,
strato drenante nelle discariche (Humphrey, 2003). Figura 1.18 - Produzione di tire chips. 1.4.2 Stabilizzazione di massa e Solidificazione/Stabilizzazione La stabilizzazione di massa è un metodo veloce ed economico per il miglioramento della capacità portante di un terreno per mezzo dell''aggiunta di legante
nel terreno da trattare, in particolare impiegata per diverse tipologie di argilla, torba e
altri terreni dalle caratteristiche scadenti. Questo metodo può essere altresì utilizzato per
la lavorazione di materiali contaminati e l''incapsulazione di agenti contaminanti, e in tal
caso si parla di Solidificazione/Stabilizzazione (S/S). L'obiettivo dei processi di S/S, è
ridurre la mobilità dei contaminanti presenti nel terreno, prevenendo o limitando al
minimo il loro trasferimento nell'ambiente. Tale obiettivo viene conseguito riducendo la
superficie disponibile per la percolazione, mediante la creazione di una matrice solida
compatta (solidificazione) e/o legando chimicamente il contaminante alla matrice solida
(stabilizzazione). Tale applicazione è nata inizialmente come soluzione per il
trattamento di rifiuti preliminarmente al loro smaltimento in discarica, ultimamente è
stata mutuata in una tecnica di bonifica dei suoli e dei sedimenti contaminati come Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 18 quelli portuali. La tecnica di S/S può essere applicata secondo due modalità ''in situ'' ed
''ex situ''. La prima modalità riguarda l''impiego della tecnologia del DM, attraverso la
penetrazione dell''utensile in profondità, l''iniezione dell''additivo (ad esempio cemento,
calce viva, composti a base di Ferro zero-valente o a base di Idrossido di Ferro, zeoliti e
ceneri volanti) e la sua miscelazione con il terreno inquinato. Un estensivo stato
dell''arte riguardo l''impiego della tecnologia del Deep Mixing ai fini della
stabilizzazione/solidificazione è riportato da Al-Tabbaa e Perera (2005a; 2005b; 2005c)
e Perera et al. (2005a; 2005b; 2005c). La modalità ''ex situ'' prevede l''asportazione di
materiale e il trasporto verso aree di trattamento e la successiva ricollocazione in sito.
Le diverse movimentazioni non fanno che aumentare l''onere economico a carico di un
progetto del genere, motivo per cui si preferisce il trattamento di S/S in situ. Wilk (2012) riporta diversi casi reali che hanno previsto l''impiego della tecnologia del Deep Mixing per la stabilizzazione/solidificazione di terreni contaminati,
con profondità tipiche di circa 7÷9m (Figura 1.19). In presenza di terreni da trattare
superficiali (fino a 3-5m) può risultare conveniente ricorrere alla stabilizzazione di
massa mediante l''utensile miscelatore illustrato in Figura 1.10. Figura 1.19 - Applicazioni Deep Mixing per la stabilizzazione/solidificazione di terreni contaminati. 1.5 Vantaggi Come illustrato nel paragrafo precedente, il metodo Deep Mixing appare particolarmente versatile per le diverse applicazioni di ingegneria civile e ambientale.
Tuttavia tale metodo risulta applicabile con successo, a prescindere da considerazioni di
tipo economico, in presenza di terreni né troppo rigidi né troppo densi, che non
contengano massi o ostruzioni. I vantaggi principali del metodo sono di seguito elencati: ' Scarse vibrazioni e rumore medio-basso: gli scavi possono essere eseguiti anche in prossimità di fondazioni di edifici; ' Bassi costi di smaltimento: dal momento che il suolo è trattato in-situ, la quantità di materiale rimosso è generalmente pari al volume di miscela addizionata, tra il 10%
e 30 % del volume trattato, che può anche risultare nulla in caso di trattamento Dry
mixing. Se si ha a che fare con suoli contaminati è ovvio che il risparmio dei costi
di smaltimento è significativo; ' Capacità di raggiungere elevate profondità: le profondità tipiche di trattamento sono intorno ai 25 m, ma con le più recenti tecnologie possono anche essere Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 19 raggiunte profondità pari a 60 m. I limiti sono principalmente legati al tempo e alla
tipologia di terreni; ' Minor ingombro di cantiere: dal momento che le lavorazioni sono effettuate in sito non vi è bisogno di spazi in superficie per la miscelazione; ' Possibilità di controllo ''real time' del trattamento e alta produttività, soprattutto per i più recenti macchinari. 1.6 Fattori che influenzano il processo di miscelazione La tecnica di installazione è essenziale per poter assicurare una miscelazione omogenea ed efficace in sito. Sono ancora pochi gli studi condotti sul processo, sui
meccanismi di miscelazione e sulle tecniche di installazione. Vi sono due categorie di
requisiti che riguardano i processi di installazione e i fattori che necessitano
considerazione (Larsson, 2005): a) Fattori che influenzano l''installazione che dovrebbero essere studiati simultaneamente: ' Geometria dello strumento di miscelazione; ' Tasso di risalita; ' Velocità di rotazione; ' Pressione d''alimentazione e quantità d''aria;
' Diametro dell''ugello di fuoriuscita del legante; ' Tipo di macchina e operatore; ' Stato tensionale in sito durante l''installazione. b) Ulteriori fattori che influenzano il processo di miscelazione e che devono essere valutati: ' Proprietà reologiche del terreno, sia trattato sia non trattato; ' Tipo e quantità di legante; ' Stato tensionale in sito durante la maturazione. I fattori della categoria (b) sono stati studiati in laboratorio da molti ricercatori e saranno discussi più avanti e nei paragrafi § 3.4 e 5. La conoscenza riguardo i fattori
appartenenti alla categoria (a) è basata solo su prove di laboratorio e sono poche le
prove in sito eseguite, tuttavia alcuni dei parametri menzionati compaiono nella
''numero di rotazione delle lame, T (o Blade Rotation Number, BRN), discusso nel
paragrafo seguente. 1.6.1 Numero di rotazione delle lame, parametro T E'' oggi ben noto che lo sforzo efficace ha influenza sul processo di miscelazione e sui relativi risultati: un tempo di miscelazione maggiore aumenta lo sforzo efficace
trasmesso e la diffusione del legante nel terreno. Nei paesi scandinavi il valore di
recupero (mm/giro) dell''utensile viene collegato al tempo di miscelazione, mentre
l''intensità di miscelazione è funzione della velocità di rotazione. In Giappone, invece, il
tempo di miscelazione viene connesso con la velocità di penetrazione, la velocità di
recupero e di rotazione. Un''idea comune dei ricercatori per aumentare la resistenza e
migliorare la qualità della miscela è quella di dotare l''utensile di numerose lame o pale
in modo da realizzare più lavoro di miscelazione. Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 20 Per fornire una misura del tempo di miscelazione questi parametri sono correlati nel Blade Rotation Number (espresso in giri/m), comunemente chiamato T (Yoshizawa
et al., 1997) o anche BRN (Bohem, 2012). Un valore più alto di tale parametro è indice
di una migliore qualità del trattamento. La formulazione generale riportata da Hayashi & Nishikawa (1999) prevede la possibilità di iniezione (parziale o totale) del legante durante la penetrazione (ugelli
attivati al di sotto delle lame) ed iniezione della quantità di legante rimanente durante la
risalita (ugelli attivati al di sopra delle lame): ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' '' ' ' '' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' '' ' ' '' ' ' ' ' n i u u i d d V N W W V N M T 1 dove: n rappresenta il numero di cicli di miscelazione completa (penetrazione più recupero) che in alcuni casi possono essere in valore maggiore di 1; M è il numero di pale dell''utensile;
Nd/Nu sono le velocità di rotazione dell''utensile durante le fasi di penetrazione/recupero [giri/min]; Vd/Vu sono le velocità di penetrazione/recupero dell''utensile [m/ min];
Wi è la quantità di legante immesso durante la penetrazione [kg/m 3], mentre W è la quantità totale di legante immesso [kg/m 3]. Nel caso di completa iniezione della malta cementizia durante la penetrazione il termine Wi/W vale quindi 1. Nel caso di completa iniezione della malta cementizia durante la risalita l''equazione si semplifica quindi in: ' ' '' ' ' '' ' ' ' ' n i u u V N M T 1 . Dalle equazioni sopra riportate si nota come a parità di numero di pale dell''utensile e di velocità di risalita, vi sia bisogno di una maggiore velocità di
rotazione, nel metodo ad iniezione durante la fase di risalita, per ottenere un grado di
miscelazione comparabile con quello del metodo ad iniezione durante la fase di
penetrazione. Una serie di prove di laboratorio hanno dimostrato che il grado di miscelazione ed il numero di giri rivestono importanza fondamentale per la resistenza finale, e hanno
portato alla definizione di un valore limite del parametro T che possa assicurare un buon
trattamento Deep Mixing. Da esperienze di campo su sabbie sciolte e argille giapponesi
trattate mediante metodo Wet il valore di T = 360 giri/m è stato definito come limite
minimo corrispondente ad una accettabile variazione della resistenza a compressione
lungo la colonna di terreno trattato, e tale valore viene spesso considerato come
riferimento per garantire una miscelazione omogenea ed uniforme (CDIT, 2002; Figura
1.20). Per il metodo Dry, Bohem (2012) consiglia valori variabili in funzione del tipo di terreno: per Torbe e terreni organici: T > 400; per Limi e Argille sabbiose: T > 300;
per Argille e Argille limose: T > 200. Topolnicky (2012), basandosi su 66 prove su
provini cubici (lato 20 cm) prelevati in sito, suggerisce un valore di T > 430 giri/m al Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 21 fine di garantire una corretta miscelazione e in particolare una buona omogeneizzazione
del materiale terreno-legante, associata ad una minore variabilità nei risultati. In Svezia, invece, per la misura del tempo di miscelazione viene utilizzata la velocità di recupero (mm/giro) dell''utensile. I numeri di cicli per metro di colonna T
possono essere calcolati come (Larsson, 2005): ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' n i s M T 1 1 dove: s è la velocità di recupero dell''utensile [mm/giro]. Figura 1.20 - Relazione tra il blade rotation number T e la deviazione standard della resistenza di terreno trattato in sito ' (CDIT 2002). 1.6.2 Tipologie di legante I leganti più usati per il trattamento dei terreni sono il cemento e la calce. Tuttavia si assiste ad una continua innovazione in tale ambito, con uno sviluppo di
nuovi composti, anche miscele di più leganti sempre più diffuso, come testimoniato dai
numerosi studi presenti in letteratura (Brandl, 1999; CDIT, 2002; 'hnberg et al., 2003;
Al Tabbaa, A. e Perera, A.S.R., 2005b e 2005c; Larsson, 2005; Yi et al. 2012). Una
trattazione estesa dei principali leganti impiegati, dei principi che regolano il
consolidamento e dei processi di stabilizzazione dei terreni è riportata da Larsson
(2005) e Marzano (2009). Alcune indicazioni riguardo l''influenza del tipo e della
quantità di legante sulle proprietà fisiche e meccaniche dei terreni trattati sono riportate
in § 1.7. 1.7 Proprietà dei terreni trattati Sono stati svolti molti studi sulle proprietà fisiche e meccaniche dei terreni stabilizzati (particolarmente argille), sulle interazioni tra terreno trattato e non, sui
metodi di progettazione e di esecuzione e sul controllo di qualità. Quando la malta
cementizia è mescolata con il terreno, si arriva a produrre un materiale che possiede
migliori caratteristiche di resistenza, permeabilità e compressibilità rispetto al suolo di
partenza, sebbene il peso dell''unità di volume totale possa risultare inferiore. Le
caratteristiche ottenute rispecchiano quelle del terreno nativo, della tecnica di Deep
Mixing utilizzata, delle fasi operative e delle caratteristiche del legante. Secondo Bruce
e Bruce (2003) i valori tipici del terreno trattato sono tipicamente compresi nei range Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 22 riportati in Tabella 1.3, che rivela che i terreni coesivi hanno bisogno di un maggiore
quantità di legante per fornire valori comparabili di resistenza rispetto a quelli granulari. Tabella 1.3 - Valori tipici per terreni trattati con il Wet Deep Mixing (Bruce e Bruce 2003). Proprietà Range tipici Resistenza a compressione ELL, qu, a 28 giorni (MPa) 0.5 - 5 in terreni granulari e 0.2 - 2 terreni coesivi Rapporto qu 28 giorni: qu 7 giorni 1.4 - 1.5 per limi e argille, 2 per sabbie Rapporto qu 60 giorni: qu 28 giorni 1.5, il rapporto 15anni:60giorni può essere > 3 Coefficiente di Permeabilità (m/s) 1x10 -6 - 1x10-9 Modulo secante E50 (350 - 1000) x qu per campioni di laboratorio e (150 - 500) x qu per campioni in sito Resistenza a trazione Tipicamente 0.08 - 0.14 x qu 1.7.1 Differenze tra proprietà ricavate in laboratorio e in sito Le proprietà di un terreno trattato dipende da numerosi fattori, come riassunto da Terashi (1997) (Tabella 1.4). Secondo l''autore il processo di miscelazione non può
essere simulato correttamente in laboratorio, ad eccezione della quantità e tipo di
legante e tempo di maturazione. Ad esempio in laboratorio i provini vengono di norma
mescolati molte volte di più rispetto a quanto si faccia effettivamente in sito. Tabella 1.4 - Fattori che influenzano le proprietà del terreno trattato (Terashi, 1997). I Caratteristiche dell''agente
di indurimento 1. Tipo dell''agente di indurimento;
2. Qualità;
3. Acqua e additivi di miscelazione. II Caratteristiche e condizioni
del terreno (importante specialmente per le argille) 1. Proprietà fisiche, chimiche e biologiche del suolo;
2. Contenuto organico;
3. Ph dell''acqua nei pori;
4. Contenuto d''acqua. III Condizioni di miscelazione 1. Grado di miscelazione;
2. Durata della miscelazione/ri-miscelazione;
3. Qualità dell''agente di indurimento. IV Condizioni di maturazione 1. Temperatura;
2. Tempo di maturazione;
3. Umidità;
4.Cicli di gelo/disgelo, imbibizione/essiccamento, etc.
Tuttavia le indicazioni ottenibili dallo studio preliminare di laboratorio (§ 2.1, 2.2) forniscono una preziosa stima preliminare delle proprietà del terreno trattato
raggiungibili in sito e la possibilità di valutare la tipologia e il dosaggio dei leganti da
utilizzare e quindi individuare i parametri del trattamento. Inoltre possono essere
sviluppate relazioni empiriche indicative delle differenze riscontrate tra sito e
laboratorio, e a tal fine risulta necessario applicare una procedura di confezionamento
standardizzata per ottenere risultati consistenti e comparabili. Sebbene le procedure di Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 23 miscelazione e confezionamento dei provini in laboratorio influenzino fortemente i
risultati ottenibili, non sono attualmente disponibili degli standard di riferimento.
Questo aspetto, alla base della ricerca internazionale attualmente in corso, è ampiamente
trattato in § 2.2, 2.7, 3.1. Nonostante le problematiche riportate, sono disponibili alcuni
studi in letteratura che si propongono di comparare i risultati ottenuti da prove in situ e
in laboratorio e possono fornire alcune indicazioni in merito. 'hnberg (2003) ha studiato la conducibilità idraulica di argille svedesi stabilizzate. In Figura 1.21 è mostrato un confronto tra i valori di coefficiente di
permeabilità k ricavati in sito e in laboratorio relativamente a terreni svedesi stabilizzati
con calce, calce-cemento e cemento. La resistenza dei terreni stabilizzati è stata
determinata in laboratorio tramite prove ELL e in sito tramite test penetrometrici sulle
colonne trattate. Come è possibile vedere in figura, i valori di k ricavati in sito risultano
maggiori rispetto a quelli di laboratorio, sebbene le differenze siano contenute. Questo
perché la permeabilità in sito è in genere influenzata negativamente da una distribuzione
e miscelazione irregolare dei leganti e dallo sviluppo di microfratture e fessure nelle
colonne; dopo il ritiro della sbarra di installazione possono inoltre presentarsi una zona
più porosa o vuoti lasciati aperti al centro della colonna. La variabilità dei risultati
ottenuti in sito è dovuta ai diversi metodi utilizzati per il calcolo della permeabilità che
per esempio impieghino permeametri. Risulta anche importante considerare il punto di
prova, in quanto (Bergwall e Falksund, 1996) hanno riscontrato una differenza di ben 20
volte tra la permeabilità di campioni prelevati nella zona centrale e quelli presi a metà
strada fra il centro e la periferia della colonna di calce-cemento. Figura 1.21 - Permeabilità di terreni stabilizzati misurati in diverse investigazioni in relazione alla resistenza quc dei terreni stabilizzati. ''' provini laboratorio; ''''' colonne sito ('hnberg, 2003). La resistenza finale dei terreni trattati in sito è influenzata da molti fattori: tecnica esecutiva utilizzata, condizioni ambientali, parametri esecutivi e soprattutto
eterogeneità del terreno trattato. Per tali motivi la resistenza ottenuta in sito risulta
essere generalmente minore rispetto quello trovata in laboratorio. La Figura 1.22
rappresenta il rapporto tra resistenza in sito e in laboratorio in funzione dei diversi
autori di studi. Come si può notare è difficile ricavare una relazione empirica tra le due
resistenze poiché nella variabilità intervengono, oltre ai fattori strettamente legati al
processo di miscelazione, altri fattori come ad esempio la tecnica di confezionamento
utilizzata, strettamente dipendente dal laboratorio in cui vengono eseguiti gli studi. Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 24 Figura 1.22 - Relazione tra i valori di resistenza in sito rispetto quelli ricavati su provini di laboratorio in funzione dei diversi studi (Larsson, 2005). Esistono molti studi che affrontano il tema della valutazione della resistenza in sito a partire da quella trovata in laboratorio, tematica di assoluta importanza in fase di
progettazione. Porbaha et al (2000) ed EuroSoilStab (2001) riportano i valori del
rapporto di resistenze quf/qul (valori di resistenza qu in sito /valori di resistenza qu in
laboratorio) variabili nel range 1/5-1/2 ottenuti per terreni Giapponesi e Svedesi. Secondo JGS0821 (2000), il rapporto di resistenze quf/qul varia in funzione del tipo di terreno, ed è pari a 1/3-1 per terreni argillosi e 1/2-1 per terreni sabbiosi. Terashi
(2005) riporta una correlazione simile per terreni argillosi, per il Wet e Dry mixing: per
entrambe le tecniche i valori del rapporto quf/qul sono compresi tra 1 e 1/3. 1.7.2 Conducibilità idraulica La conducibilità idraulica (o coefficiente di permeabilità, k) di un terreno trattato è un aspetto principale della progettazione di diaframmi con funzione di barriera
verticale. Tale parametro è fondamentale anche per valutare qualunque disturbo arrecato
alle limitrofe acque di falda. Possono infatti verificarsi abbassamenti nella pressione
artesiana o possibili infiltrazioni delle sostanze usate come leganti dalle colonne. La
Figura 1.23 mostra una diminuzione della permeabilità di un''argilla trattata
all''aumentare del contenuto di cemento o calce (Brandl, 1999; 'hnberg et al., 2003). Figura 1.23 - Influenza del tempo di maturazione e del tipo e quantità di legante sulla permeabilità k di argille stabilizzate (Brandl, 1999; 'hnberg, 2003). Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 25 Brandl (1999) riporta una riduzione pari a un ordine di grandezza quando il contenuto di cemento passa da 2,5% a 7,5% e una diminuzione del coefficiente di
permeabilità nel tempo dopo la stabilizzazione fino a raggiungere valori minori di 10 -11 m/s dopo un anno con un contenuto di cemento pari al 7,5%. 'hnberg et al. (2003)
hanno studiato la permeabilità di una argille svedese (Linkoping) stabilizzata. Sono stati
utilizzati leganti tradizionali, come cemento e calce viva, ma anche leganti basati su
scorie di altoforno e fly ash. Sono state usate diverse quantità di legante, come 50 kg/m 3 o 150 kg/m 3, ma principalmente una quantità pari a 100 kg/m3. I valori di conducibilità idraulica individuati per le argille stabilizzate a 28 giorni sono riportati in Figura 1.23.
Come osservato da entrambi gli autori, la permeabilità dei provini stabilizzati mediante
calce è nella maggior parte dei casi più alta di quelli stabilizzati tramite l''uso di leganti
a base di cemento e anche di quella del terreno di partenza non trattato. Yi (2012) suggerisce l''impiego di Magnesia reattiva (MgO) al posto di cemento Portland e Calce additivati alle scorie d''altoforno (GGBS) per la stabilizzazione di
terreni sabbiosi, con vantaggi di tipo prestazionale ed economici. La miscela terreno-
GGBS-MgO ha fornito infatti maggiori valori di resistenza e minori valori di
coefficienti di permeabilità specialmente a lungo termine (90 giorni), garantendo inoltre
costi inferiori rispetto al cemento Portland. 1.7.3 Resistenza a compressione non confinata La prova a compressione ad espansione laterale libera (prova ELL o UCS), che permette la determinazione della resistenza qu (§ 3.5.1) è il test più usato, sia per la sua
semplicità sia per i bassi costi. Bisogna comunque tener conto dei limiti di tale prova
soprattutto per quanto riguarda l''assenza di confinamento che non permette quindi di
simulare le reali condizioni in situ. Il valore della resistenza qu dipende principalmente
dal tipo e quantità di legante usato, dalle proprietà chimiche e geotecniche del terreno e
dal tempo di maturazione. La resistenza dei terreni trattati con il cemento aumenta con il tempo, in maniera analoga a quanto succede per il calcestruzzo. Diversi autori hanno ottenuto delle
relazioni riportate in Tabella 1.5 che legano i valori di resistenza a diversi tempi di
maturazione (7, 28, 60 e 91 giorni). Tali relazioni, pur essendo state valutate in
laboratorio, possono essere impiegate per ottenere una rapida stima dell''andamento
della resistenza in sito con il tempo, per esempio eseguendo delle prove su campioni
prelevati in fase di campo prova a 7 giorni di maturazione (§ 2.4). Le relazioni riportate
differiscono tra loro, sia per i diversi tipi di terreni testati sia per le diverse quantità di
cemento usate per la stabilizzazione. Tabella 1.5 - Rapporti di resistenza a diversi giorni di maturazione. Autore qu7/qu28 qu60/qu28 qu91/qu28 Terreno Kawasaki et al. (1981) 0,50 - 0,70 1,17 - Argille marine CDM (1994) 0,64 - 0,68 - 1,20 - 1,33 Terreni argillosi 'hnberg et al. (2003) 0,40 - 0,70 - 1,20 - 1,40 Argilla Suzuki e Kawamura (2009) 0,50 - 0,60 1,20 - 1,40 1,60 - 2,20 Argilla limosa qu7, qu28, qu60 e qu91 = valori di resistenza del terreno trattato dopo 7, 28, 60 e 91 giorni Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 26 Il tipo di legante (e gli eventuali additivi) ha diversi effetti sulla resistenza dei terreni trattati, a seconda delle diverse reazioni che possono manifestarsi. 'hnberg et al.
(2003) e Van Impe et al. (2007) hanno studiato l''effetto del tempo e del tipo di legante
su diversi terreni stabilizzati, ed è possibile notare in Figura 1.24 e Figura 1.25 gli
andamenti della resistenza col tempo. ' possibile constatare come l''incremento di
resistenza diminuisca con il tempo. Dallo studio di 'hnberg et al. (2003) appare
evidente l''iniziale rapido aumento della resistenza per i leganti a base cementizia. Per
quanto riguarda la calce (l), essa presenta un incremento lineare di resistenza su un
lungo periodo di tempo. Si può inoltre notare che: il legante cemento-fly ash (cf) porta
ai minori valori di resistenza; l''utilizzo di scorie-calce (sl) porta a risultati molto diversi
in relazione al tipo di terreno, in particolare porta ad un aumento considerevole di
resistenza dopo tre mesi per l''argilla Loftabro. Dai risultati di Van Impe et al. (2007) si
nota come i valori di resistenza ottenuti per la Torba siano sensibilmente inferiori
rispetto agli altri terreni. Figura 1.24 - Resistenze misurate nel tempo in relazione a diversi leganti per (a) argilla di Löftabro e (b) argilla di Linköping ('hnberg et al., 2003). Figura 1.25 - Resistenze a compressione UCS misurate nel tempo in relazione a diversi leganti (cemento Portland, CEM I; cemento composito CEM II; cemento con scorie d''altoforno CEM III) per Argilla limosa e Torba (Van Impe et al., 2007). Per quanto riguarda l''effetto della temperatura di maturazione in letteratura si possono trovare svariati studi in base ai quali l''aumento della temperatura di
maturazione si riflette in una accelerazione dei processi di idratazione e quindi nel tasso
di incremento della resistenza del terreno trattato. Tale aspetto è anche trattato in §
2.2.3. Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 27 1.7.4 Modulo di elasticità Molti autori riportano una correlazione tra il modulo di elasticità E50 (secante al 50% della deformazione ultima) per i terreni stabilizzati e i valori UCS, per diversi tipi
di terreni e contenuti di legante (Porbaha et al., 2000). Va notato che la relazione tra
l''E 50 e i valori UCS è una funzione del contenuto d''acqua dell''argilla originaria e della quantità di legante usata per la stabilizzazione. In Tabella 1.6 si riportano alcune relazioni da letteratura. I dati riportati da Saitoh et al. (1980) sono stati ottenuti a partire dai risultati relativi ad argille soffici di
aree portuali in Giappone trattate con cemento Portland. Le relazioni riportate da Bruce
e Bruce (2003) si riferiscono sia a provini confezionati in laboratorio che a campioni
prelevati in sito. O''Rourke et al. (1998) riportano valori relativi all''argilla blu di Boston
stabilizzata con cemento (GeoTesting Express, 1996). Tabella 1.6- Relazione tra modulo di elasticità e resistenza qu per diversi terreni. Relazioni Riferimento 350 qu < E50< 1000 qu Saitoh et al. (1980) 100 qu < E50< 250 qu Futaki et al. (1996) 140 qu < E50< 500 qu Asano et al. (1996) 50 qu < E50< 150 qu GeoTesting Express (1996) 150 qu < E50< 400 qu Goh et al. (1999) 75 qu < E50< 1000 qu Terashi et al. (1977) 350 qu < E50< 1000 qu da provini laboratorio Bruce e Bruce (2003) 150 qu < E50< 500 qu da campioni in sito E50 = 110 qu Van Impe et al. (2007) 60 qu < E50< 250 qu Grisolia et al. (2010) 1.8 Durabilità dell''intervento Con il termine durabilità si intende l''abilità del materiale a mantenere la propria stabilità e integrità negli anni di esposizione ai vari ambienti aggressivi e alle varie
condizioni climatiche. Esistono diversi meccanismi di degradazione che possono
influenzare le proprietà a lungo termine di un materiale stabilizzato. ' perciò di vitale
importanza identificare e comprendere questi meccanismi potenzialmente distruttivi,
che possono essere fisici, chimici o biologici. ' possibile effettuare una suddivisione in
azioni intrinseche o estrinseche. Azioni intrinseche sono per esempio il risultato di una
lavorazione inadeguata, di una progettazione carente, delle reazioni tra i leganti e i
componenti dei rifiuti e delle reazioni tra diversi componenti dei rifiuti. Azioni
estrinseche sono invece un risultato dell''ambiente a cui è sottoposto il materiale trattato,
come per esempio alterazioni fisiche e chimiche, danneggiamenti meccanici, attacco
biologico e attacco di acque aggressive. Le ragioni di una progettazione e lavorazione
scadenti vanno individuate e superate all''inizio del programma di lavoro, altrimenti
possono portare direttamente (si intende il caso di cedimenti differenziali, di riduzione o
non uniformità della resistenza, dovuti a una miscelazione non adeguata, ad una più alta
porosità, ad una più alta percolazione, etc.) o indirettamente (più alta percolazione dei
contaminanti dovuta ad una più alta porosità, miscelazione impropria, etc.) al
malfunzionamento del sistema. Le carenze nella progettazione possono essere superate Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 28 conducendo studi appropriati sui leganti e sui contaminanti coinvolti e sulla quantità di
acqua usata. Sebbene tali studi siano condotti su una scala temporale ristretta, se
eseguiti correttamente risultano sufficienti a capire il comportamento iniziale delle
miscele ed eliminano le avversità che possono manifestarsi. Una lavorazione inadeguata
può essere evitata eseguendo dei campi prova per capire quali sono i problemi che si
potrebbero incontrare nella lavorazione, ad esempio scarsa miscelazione dovuta a
insufficienza d''acqua. L''adozione di procedure di controllo di qualità idonee riduce
notevolmente le conseguenze negative associate a una non corretta lavorazione. Onimaru et al. (2009) riporta un confronto tra i valori di resistenza a compressione a lungo termine (fino a circa 8,5 anni) relativi a campioni carotati in sito.
In tale occasione era stato impiegato un cemento Portland con scorie di alto forno tipo B
per stabilizzare un terreno costituito da alternanze di sabbia fina con limo argilloso, con
falda acquifera presente a 1,0m dal piano campagna. Nella Figura 1.26 è illustrata la
distribuzione con la profondità dopo 28, 60 giorni e 8,5 anni dall''esecuzione, dalla
quale si evince non solo il mantenimento della resistenza iniziale ma addirittura un
incremento della stessa pari in alcuni punti a 1,50 - 2 volte. Figura 1.26 - Distribuzione con la profondità della resistenza qu a diversi tempi di maturazione (Onimaru et al., 2009). 1.8.1 Meccanismi di degradazione del cemento Le principali forme di attacco sono state schematizzabili in due principali categorie: meccanismi di degradazione primaria e secondaria. Si procede di seguito con
una breve descrizione dei principali fattori. Meccanismi di degradazione primaria: Carbonatazione: E'' il processo in cui l''anidride carbonica reagisce con i prodotti dell''idratazione dei materiali trattati con cemento,tra cui l''idrato calcio-silicato (CSH) e
idrossido di calcio (Ca(OH)2) formando il carbonato di calcio (CaCO3). Come
conseguenza il pH del fluido nei pori interstiziali diminuisce. La velocità a cui avviene
la reazione di carbonatazione dipende da molti fattori come ad esempio la
concentrazione di CO2, l''umidità dell''atmosfera limitrofa,la permeabilità dei materiali,
la temperatura e la tipologia di leganti usati. La carbonatazione di per sé non causa il Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 29 deterioramento del materiale ma può avere un effetto negativo sulla microstruttura
(Neville, 1997). Può ad esempio causare variazioni di volume, aumento di permeabilità
e fessurazione e quindi una diminuzione di resistenza. Di contro si verifica un aumento
della resistenza a causa della precipitazione di CaCO3 negli spazi interstiziali. Il
predominio di uno dei due eventi dipende dalle circostanze della situazione. La
riduzione di pH causa una corrosione di eventuali rinforzi in acciaio presenti nel
cemento e, come già visto precedentemente, determina una maggiore solubilità dei
metalli pesanti, evento ancora più grave che potrebbe portare a livelli inaccettabili la
dispersione di inquinanti nell''ambiente circostante. Attacco dei solfati: è il processo naturale per cui i solfati presenti nel legante (es : gesso) reagiscono chimicamente con i composti presenti nel cemento. La velocità a cui
avviene la reazione dipende da molti fattori come ad esempio concentrazione e tipo di
solfato, quantità di idrossido di calcio e di alluminio, contenuto di cemento, rapporto
acqua/cemento, porosità e permeabilità. L''attacco dei solfati nel calcestruzzo è
caratterizzato dall''espansione, che causa perdita di resistenza e rigidezza, fratture e
spalling (rottura per trazione) ed eventuale disintegrazione. Il cemento Portland è
particolarmente suscettibile a tali attacchi motivo per cui sono stati introdotti dei
cementi pozzolanici e cemento Portland con scorie di alta fornace per minimizzare gli
effetti. Meccanismi di degradazione secondaria: Danni causati da cicli di gelo e disgelo: Secondo tale processo, l''acqua presente nei pori ghiaccia quando la temperatura scende, andando ad aumentare il suo volume di
circa il 9% e successivamente si scioglie con l''aumentare della temperatura. La ciclicità
del processo non fa che aumentare i danni causati al materiale. I fattori che influenzano
il processo sono: la quantità di acqua ghiacciabile, le condizioni di esposizione, la
dimensione dei pori e la porosità in relazione alla permeabilità, il tasso di assorbimento
e il grado di saturazione. L''azione di gelo causa fessure e fratture che dipartono dalla
superficie e gradualmente si espandono all''interno. Il principale accorgimento da
adottare per contrastare il fenomeno è diminuire la permeabilità del materiale e
l''assorbimento. Altre forme di contrasto possono essere la protezione del materiale al di
sotto di uno spessore di terreno (generalmente 1 m). Danni causati da cicli di essiccazione e imbibimento: Anche questo fenomeno è ciclico causato da fluttuazione del livello di falda. I danni si presentano sotto forma di
fratture causate dall''espansione del materiale dovuta all''assorbimento di acqua da parte
del cemento. Può essere contrastato diminuendo la permeabilità del materiale e
utilizzando cemento di ottima qualità. 1.8.2 Meccanismi di degradazione di terreni stabilizzati non contaminati Sherwood (1993) ha delineato i fattori predominanti che incidono sulla resistenza di terreno trattato con calce o cemento: la composizione chimica e fisica del
suolo e le condizioni del terreno circostante, in particolare temperatura e umidità del
suolo. I costituenti del terreno sono suddivisi in dannosi e vantaggiosi a seconda
dell''effetto chimico che hanno sul suolo stabilizzato; appartengono alla prima categoria
la sostanza organica, i solfati e i solfuri e l''anidride carbonica. Esistono ad oggi pochi
studi che affrontano la diminuzione nel tempo della resistenza di colonne trattate di
terreno non contaminato dovuta a meccanismi di degradazione; tra questi ad esempio Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 30 Baghdadi (2001), Kitazume et al. (2003) e Hayashi et al (2003). Il meccanismo di
degradazione menzionato in queste referenze sembrerebbe collegato principalmente
all''ambiente circostante e causato dal filtraggio del calcio dal materiale trattato a quello
non trattato. Tale fenomeno si verifica a causa della presenza di calce libera e per la
degradazione dei principali prodotti della reazione di idratazione. Kitazume et al (2003)
hanno studiato come generalmente i meccanismi di degradazione inizino alle estremità
della colonna per poi penetrare all''interno con l''andare del tempo. Hayashi et al.(2003)
hanno condotto studi di campo su colonne Deep Mixing di 17 anni di età: il filtraggio
del calcio era avvenuta dal materiale trattato a quello non trattato ma la riduzione di
resistenza della zona più esterna era esigua. Inoltre la resistenza del centro della colonna
era aumentata con il passare del tempo a conferma del fatto che la regione esterna è
quella maggiormente soggetta a meccanismi di degradazione. Osman (2007) riporta l''effetto di una parziale sostituzione del cemento con zeoliti (minerali costituiti da una struttura cristallina a base di alluminosilicati) sulla
durabilità di argille stabilizzate. Sono stati preparati provini di argilla stabilizzati con
cemento portland ordinario (PC), PC con aggiunta di bentonite, PC e cenere volante e
infine PC e zeoliti. Tali provini sono stati immersi in una soluzione di solfato di sodio
(5% di concentrazione) e acido solforico (0,5% di concentrazione) per un tempo
prefissato. Le Figura 1.27 e Figura 1.28 mostrano l''evidente degradazione di tutti i
provini fatta eccezione di quelli stabilizzati con PC- zeoliti. Figura 1.27 - da sinistra verso destra: provini di argilla stabilizzata con PC e immersi in soluzione di solfato sodico per 18 giorni e soluzione di acido solforico per 36 giorni; provini di argilla stabilizzata con PC-bentonite immersi per 4 giorni in soluzione di solfato sodico; soluzione di acido solforico (Osman, 2007). Figura 1.28 - da sinistra verso destra: provini di argilla stabilizzata con PC-cenere volante e esposti a soluzione di solfato di sodio 10% di cenere volante per 68 giorni e 50% di cenere volante per 12 giorni; provini di argilla stabilizzata con PC-zeoliti immersi per 1.5 anni in soluzione di solfato sodico e soluzione di acido solforico (Osman, 2007). 1.8.3 Meccanismi di degradazione di terreni stabilizzati contaminati Esistono molteplici meccanismi di degradazione che potrebbero influenzare il comportamento di sedimenti o terreno contaminato stabilizzati /solidificati mediante
calce o cemento. ' quindi di vitale importanza cercare di identificarli e capire quale Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 31 potrebbe essere quello potenzialmente più distruttivo, causato da azioni fisiche,
chimiche o biologiche. I meccanismi di degradazione riguardano soprattutto un ritardo
(e in alcune volte un mancato) nell''inizio della reazione di idratazione che corrisponde
quindi ad una riduzione di valori di resistenza rispetto a quelli ottenuti con legante non
contaminato. Nonostante questo, le condizioni per l''esecuzione di un buon trattamento
sono garantite dal momento che i contaminanti sono stabilizzati e immobilizzati da una
serie di meccanismi man mano che si verifica l''idratazione permettendo comunque di
ridurre il potenziale inquinante. Va ricordato che non tutti i contaminanti sono
distruttivi, anzi, alcuni amplificano le proprietà dei leganti, specialmente la resistenza.
Tashiro et al. (1997) hanno constato come la presenza di zinco nel terreno vada ad
influenzare negativamente la resistenza a breve termine ma non quella a lungo termine
(90 giorni), per di più è stata registrata una diminuzione della permeabilità con il
passare del tempo. Conner (1990) riporta un esteso studio relativo agli effetti di
contaminanti organici ed inorganici su un terreno stabilizzato con cemento, e ha
riportato come sia preferibile avere un pH alto nel sistema poiché la maggior parte dei
metalli diminuiscono la propria solubilità per pH compresi tra 7.5 e 11. 1.9 Casi di studio di applicazioni ambientali Sono di seguito riportati, a titolo di esempio, un paio di casi di studio di applicazioni ambientali della tecnica del Deep Mixing. Il primo riguarda la costruzione di una barriera impermeabile per il contenimento di suoli contaminati a Long Eaton (Nottingham, UK). In tale sito sono
state svolte delle operazioni di bonifica del terreno da 1.1 milioni di sterline per la
costruzione di un nuovo centro commerciale (Al Tabbaa ed Evans, 2003). Il sito era
stato precedentemente usato come discarica di combustibili e per questo motivo sia il
terreno che l''acqua sotterranea erano stati contaminati da idrocarburi di petrolio. Le
operazioni di bonifica hanno riguardato in particolare l''installazione di una barriera di
contenimento, immorsata nel substrato di base a 8 m di profondità al fine di controllare
la migrazione della falda inquinata. Il progetto prevedeva l''installazione di una barriera
di contenimento reattiva in Deep Mixing lunga 550 m, formata da due sezioni: la prima,
passiva, avente conducibilità idraulica minore di 10 -9m/s e resistenza superiore a 150kPa, aveva il compito di direzionare l''acqua sotterranea inquinata verso una sezione
reattiva e permeabile composta da argille modificate, avente permeabilità dello stesso
ordine di grandezza di quella del terreno in sito in modo tale da ridurre gli effetti sul
regime idraulico di falda. Due trivelle da 1.2 m di diametro sono state costruite
appositamente per il progetto al fine di accelerare l''esecuzione del trattamento e sono
state usate per costruire circa 600 colonne da 8 m di lunghezza (Figura 1.29). I primi
risultati dell''attività di monitoraggio hanno mostrato un sostanziale e continuo
miglioramento della qualità delle acque sotterranee al di fuori della barriera trattata. Il secondo progetto, riportato in Marconi e Mosca (2010), riguarda la bonifica del sito denominato "Cargovil" (Belgio) mediante Stabilizzazione/Solidificazione dei
sedimenti contaminati. Data l'elevata estensione volumetrica della contaminazione
(presenza di elevate concentrazioni di Arsenico e di altri metalli pesanti) e a causa delle
difficoltà logistiche di gestione del sedimento ex situ, la modalità di intervento migliore
è risultata quella in situ. La tecnica esecutiva applicata è un misto tra le tecniche Deep
Mixing e Jet Grouting: lo ''Swamp Excavator", un escavatore dotato di cingoli molto
larghi e bassi (somiglianti a dei "pattini"), onde evitare lo sprofondamento della Capitolo 1 - La tecnica del Deep Mixing per applicazioni ambientali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 32 macchina, equipaggiato con un'asta rotante verticale dotata all'estremità bassa di una
lama miscelante e di ugelli dai quali fuoriesce la malta cementizia ad alta pressione
(Figura 1.29). Gli ugelli sono posizionati in maniera tale da assolvere due funzioni:
quelli posizionati alle estremità delle lame (jet) facilitano la rotazione di esse nel
sedimento molle, mentre quelli posizionati a poca distanza dall''asta infissa trattano il
volume di terreno intorno all''asse dell''asta. Caratteristica della strumentazione
utilizzata è un sistema di funzionamento completamente automatizzato. La fase
operativa di cantiere è stata preceduta da un campo prove durante il quale è stato
possibile determinare il volume effettivo della colonna di sedimento stabilizzata al
variare della velocità di penetrazione, della pressione di iniezione e della velocità di
rotazione della lama. In tal modo si è determinato l''interasse delle colonne al fine di
riuscire a trattare l'intera volumetria contaminata mediante l'ottenimento di colonne
limitrofe leggermente intersecanti. Per la stabilizzazione dei metalli pesanti responsabili
della contaminazione in tale situazione, è stata utilizzata una miscela a forte prevalenza
di cemento d'altoforno. In tale progetto sono stati trattati circa 30000 m 3 di sedimento in 6 mesi (inclusi i test pilota, le prove di laboratorio e quelle on site).Test di campo e di
laboratorio sul sedimento trattato hanno evidenziato un incremento delle resistenza a
compressione di diversi ordini di grandezza (da pochi kPa nella situazione iniziale fino
a circa 5 MPa) ed una riduzione della mobilità dei contaminanti compresa tra l''80% ed
il 95%. Figura 1.29 - A sinistra: Trivelle in lavorazione e planimetria dell''intervento a Long Eaton (Al Tabbaa e Evans, 2003); a destra: schema del funzionamento del sistema di Soft Soil Improvement (Marconi e Mosca, 2010).
Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 2. STUDIO INTERNAZIONALE SULLE PROCEDURE DI QC/QA Pur dimostrandosi di assoluta importanza ai fini del buon esito di un intervento Deep Mixing, le relative procedure di laboratorio a supporto dei processi di controllo ed
assicurazione di qualità (QC/QA) non sono attualmente standardizzate a livello
internazionale. Tale problematica è stata trattata nel corso della conferenza ''Deep
Mixing 2005 - The International Conference on Deep Mixing Recent Advances and
Best practice' (Stockholm, Svezia) durante la quale è stato impostato uno studio
internazionale, tutt''ora in corso, che ha visto la pubblicazione dei primi risultati ottenuti
nella conferenza: ''Deep Mixing 2009 - International Symposium on Deep Mixing &
Admixture Stabilization', (Okinawa, Giappone). Il programma di ricerca internazionale
''International Collaborative Study on Deep Mixing Method' attualmente in fase di
svolgimento è coordinato dal Prof. Kitazume (Tokyo Institute of Technology, ex Port
and Airport Research Institute). Il presente lavoro di tesi contribuisce allo studio internazionale menzionato. I risultati ottenuti dai vari soggetti partecipanti nel corso degli anni 2009 - 2015 saranno
presentati nella futura ''International Conference on Deep Mixing - 2015', San
Francisco, USA. Nel capitolo sono descritte in dettaglio le procedure di QC/QA relative
alle diverse fasi progettuali ed esecutive di un intervento Deep Mixing insieme con i
risultati preliminari e gli obiettivi futuri dello studio internazionale (Terashi e Kitazume,
2009; 2011). 2.1 Fasi progettuali ed esecutive Le fasi progettuali ed esecutive di un lavoro di Deep Mixing sono presentate nella norma European Standard En 14679 ''Execution of special geotechnical works -
Deep Mixing' (2003) e aggiornate da Filz (2012), come riportato schematicamente in
Figura 2.1. I vincoli del sito in esame, come ad esempio la possibilità di accedere al sito
e le condizioni di stabilità dello stesso influenzano la scelta della tecnica, Wet o Dry
mixing. Di utile riferimento possono essere i progetti precedenti effettuati in prossimità
del sito in esame o su stratigrafie simili. I test di miscelazione in laboratorio effettuati a
partire da campioni di terreno prelevati in sito sono decisivi per comprendere la
tipologia e la quantità di legante, ma anche l''energia di miscelazione e la tipologia di
utensile da utilizzare, al fine di stimare le proprietà ottenibili con il trattamento e
compilare il progetto. Tali test sono condotti relativamente ai diversi strati di terreno
ritenuti rappresentativi e sono generalmente eseguiti nella fase di progettazione ma
possono essere anche condotti nella fase iniziale di raccolta dati. Nel progetto esecutivo
si definiscono le proprietà del terreno trattato, la geometria e le dimensioni del
trattamento e le modalità costruttive, lasciando dei margini di operatività che andranno
affinati dall''installazione del campo prova. Infatti per via dell''incertezza relativa alle
reali condizioni riscontrate in sito è consigliabile programmare un campo prova che
permetta di verificare che i parametri operativi decisi mediante le prove preliminari di
laboratorio siano applicabili al sito in esame e permetta l''ottimizzazione dei parametri Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 34 del trattamento. Il programma di controllo qualità deve essere parte integrante del
progetto. Tutte le fasi del processo sono accompagnate da un''intensa attività di laboratorio, che riguarda sia i test di miscelazione per il confezionamento di provini, sia
il prelievo di campioni di miscela fresca o indurita direttamente in sito su cui eseguire
opportune prove di laboratorio. Figura 2.1 - Diagramma di flusso per la progettazione ed esecuzione di un intervento Deep Mixing (adattato da Filz, 2012). Rigorose procedure di controllo qualità sono necessarie durante la fase di costruzione per garantire che l''intervento di Deep Mixing sia eseguito come definito in
fase progettuale. Tali procedure possono essere distinte in due fasi: la fase di controllo
qualità (QC) e la fase di verifica della qualità (QA). Il Controllo Qualità (QC, Quality Control) interessa sia la fase di progettazione sia la fase esecutiva dell''intervento: esso comprende la valutazione e il controllo della
proprietà di progetto (ex. resistenza), della qualità e quantità della malta cementizia
impiegata, dell''efficienza di miscelazione (velocità di penetrazione/estrazione e numero
di rotazioni dell''utensile di miscelazione) e la definizione e il controllo delle
caratteristiche geometriche della colonna trattata (lunghezza, diametro e interdistanza
delle colonne). A tal fine sono previste prove di laboratorio su campioni prelevati in sito
da miscela fresca (''wet grab') o indurita. L''Assicurazione di Qualità (QA, Quality Assurance o Verification) riguarda le prove di verifica della qualità a posteriori, eseguite al fine di convalidare le prestazioni
delle colonne stabilizzate mediante DM. Vengono per esempio condotte prove di Legenda Azioni e Prestazioni Caratterizzazione geotecnica del sito Includere il Campo Prova
nel progetto e nelle specifiche Preparare progetto e specifiche senza Campo Prova Necessario un campo prova per la ditta esecutrice' Test di miscelazione in laboratorio Gara d''appalto Requisiti di progetto soddisfatti' Analisi Geometria del trattamento DM Gara d''appalto Prove di laboratorio Costruzione con procedure QC/QA e monitoraggio Campo Prova Prove di laboratorio No No Sì Sì Raccolta Dati Progettazione Appalto Costruzione Azioni e Prestazioni Caratterizzazione geotecnica del sito Vincoli del sito Esperienze da progetti precedenti e da letteratura Stabilire le proprietà di progetto Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 35 laboratorio su campioni di terreno trattato prelevato in sito ad opportuni tempi di
maturazione e/o prove in sito su colonne già realizzate. A lungo termine è necessario verificare la bontà dell''opera mediante un piano di monitoraggio che preveda per esempio la misura dei livelli piezometrici o dei cedimenti
in superficie a secondo dello scopo dell''intervento. Le prove laboratorio sono parte fondamentale delle procedure QC/QA e intervengono in tutte le fasi contribuendo a fornire dati estremamente importanti: nella
fase preliminare intervengono per la stima delle proprietà del terreno trattato (es.
resistenza di progetto) e per l''identificazione dei parametri operativi del trattamento (es.
rapporti acqua/cemento) in relazione alle diverse caratteristiche dei terreni presenti (test
su provini confezionati in laboratorio); nell''allestimento dei campi prova intervengono
per l''ottimizzazione dei parametri operativi, in relazione alle caratteristiche del sito
(prove su campioni ''wet grab'); nella fase di esecuzione contribuiscono al controllo
delle caratteristiche del terreno trattato (prove su campioni wet grab e campioni estratti);
a lungo termine intervengono assicurando che sia stata raggiunta la resistenza definita in
fase progettuale (prove su campioni estratti) (Figura 2.2). Figura 2.2 - Prove di laboratorio nelle procedure di QC/QA relative a un intervento Deep Mixing (adattato da Saitoh et al., 1996). 2.2 Prove preliminari di laboratorio (QC) Un trattamento mediante Deep Mixing prevede in una fase iniziale una serie di indagini geologiche e geotecniche per capire la successione stratigrafica e le
caratteristiche dei terreni. In tale fase devono anche essere prelevati dei campioni dei
terreni significativamente interessati dall''intervento per l''esecuzione di test di
miscelazione in laboratorio che giocano un ruolo importantissimo per le procedure di
QC/QA. I test di miscelazione hanno lo scopo di fornire una stima preliminare delle
proprietà del terreno trattato raggiungibili in sito e la possibilità di valutare la tipologia e
il dosaggio dei leganti da utilizzare e quindi individuare i parametri del trattamento. In
questa fase vengono confezionate una serie di miscele terreno-legante in diverse
proporzioni, i provini prodotti vengono fatti maturare e sottoposti a prove di laboratorio.
Le prove di laboratorio da condurre si differenziano in funzione dell''applicazione Deep
Mixing (§ 1.4) specifica per il sito in esame; comunque le prove maggiormente Tipo e dosaggio di legante, resistenza target Provini realizzati in laboratorio Controllo dei parametri costruttivi e delle caratteristiche della miscela Prelievo di campioni da miscela fresca e/o indurita Validazione del trattamento effettuato Prelievo di campioni da miscela indurita QA: Assicurazione di Qualità / Collaudo QC: Controllo di Qualità / Esecuzione Miscelazione in laboratorio Campo prova Esecuzione Collaudo dell''intervento Validazione miscela di progetto ottimizzazione parametri costruttivi Prelievo di campioni da miscela fresca e/o indurita Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 36 impiegate risultano essere: prova di compressione ELL (economica e rapida), prove di
conducibilità idraulica, prove di percolazione, prove di estrazione, prove di durabilità. Nei paesi del Nord Europa e in Giappone, ove il DM ha una lunga storia di applicazione, si riscontra la presenza di alcuni standard o linee guida relativi ai test di
laboratorio. Nei mercati ove il DM è emerso da poco, come in Europa, le procedure di
laboratorio sono basate sull''esperienza o il giudizio dei singoli ingegneri. A tal riguardo si ricorda lo studio di Jacobson (2005) sui fattori che influenzano la resistenza di colonne trattate con cemento a partire da limi organici. Le prove di
compressione ELL effettuate dall''autore e da altri due laboratori diversi (nell''articolo
chiamati A e B) fornirono risultati notevolmente diversi fino a circa il 400% (Figura
2.3), con evidenti gravi ricadute nel caso di un ipotetico impiego dei dati ottenuti per la
progettazione dell''intervento Deep Mixing. Le differenze riscontrate nelle resistenze
erano strettamente legate alle diverse procedure utilizzate per la preparazione e la
maturazione dei provini. Il laboratorio B aveva lasciato i provini all''aria prima della
prova, aveva assegnato un contenuto d''acqua ben maggiore di quello naturale del
terreno in esame e aveva fissato la temperatura di maturazione a 15 °C, diversa da
quella fissata dal laboratorio A pari a 25°C e dallo studio dell''autore pari a 20°C. Il
laboratorio A aveva definito la dose di legante come rapporto tra peso del legante e
volume di terreno trattato, mentre per l''autore e lo studio B tale dose era stata definita
come rapporto tra peso di legante e volume di terreno non trattato. Pertanto lo studio A
aveva aggiunto una maggiore percentuale di legante. Tali motivi spiegherebbero la
maggior resistenza misurata nel laboratorio A e le marcate differenze ottenute dai tre
laboratori. Da tale esempio si capisce la necessità di uno standard relativo alle
procedure connesse con il confezionamento di provini di miscela terreno-legante,
connesse in particolare con le fasi di miscelazione, preparazione e maturazione. Figura 2.3 '' Resistenza a compressione UCS ottenuta in tre laboratori diversi utilizzando la stessa dose di legante (cemento) pari a 150 kg/mc. (Jacobson, 2005). Dalla necessità di standardizzare a livello internazionale le procedure di QC/QA è iniziato uno studio internazionale, tutt''ora in corso, che è stato impostato durante la
conferenza ''Deep Mixing 2005 - The International Conference on Deep Mixing Recent
Advances and Best practice', Stockholm, Svezia e ha visto la pubblicazione dei primi
risultati ottenuti nella conferenza: ''Deep Mixing 2009 - International Symposium on
Deep Mixing & Admixture Stabilization', Okinawa, Giappone, presentati
sinteticamente nel paragrafo seguente. Gli obiettivi e il programma della ricerca
internazionale in corso sono specificati in § 2.7, 3.1. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 37 2.2.1 Ricerca internazionale sul Deep Mixing, risultati 2005-2009 Lo studio a livello mondiale si è proposto di ordinare lo stato dell''arte relativo alle procedure di miscelazione e confezionamento dei provini di miscela terreno-legante
per le prove di laboratorio, impiegando dati forniti dalle 36 organizzazioni prese in
esame (di cui 23 giapponesi), come riportato in Kitazume et al. (2009a). L''analisi è stata
portata avanti mediante la compilazione di un questionario suddiviso in tre parti
principali, ciascuna riguardante (i) l''organizzazione generale dei test di laboratorio in
relazione ai progetti relativi al DM, in particolare quando e per conto di chi sono
progettati, eseguiti e garantiti i test, (ii) le procedure dettagliate e gli utensili utilizzati
nei test, (iii) la descrizione dei test eseguiti per la valutazione delle proprietà
meccaniche del terreno stabilizzato. Ove possibile, ai partecipanti è stato chiesto di
fornire documentazione ulteriore, come foto, esempi di file usati etc. Nel mettere a confronto i diversi protocolli seguiti dalle organizzazioni mondiali, sono stati considerati i seguenti aspetti: a) Modalità di prelievo del terreno da trattare; b) Soggetti incaricati di eseguire i test di laboratorio; c) Preparazione del terreno da miscelare e leganti utilizzati; d) Tipologia e forma dello stampo; e) Fase di miscelazione e utensile utilizzato; f) Disposizione della miscela all''interno degli stampi; g) Condizioni di maturazione; h) Metodi di calcolo delle proprietà meccaniche dei suoli stabilizzati. Nelle Tabella 2.1 e Tabella 2.2 si riportano le diverse informazioni raccolte grazie a questo studio e alcune illustrazioni relative alle attrezzature impiegate dalle
varie organizzazioni per le fasi di miscelazione, confezionamento e maturazione dei
provini di miscela terreno-legante (Figura 2.4, Figura 2.5, Figura 2.6, Figura 2.7, Figura
2.8). Figura 2.4 - Stampi monouso in metallo e plastica. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 38 Tabella 2.1 - Procedure di laboratorio esistenti nei diversi paesi (parte1/2) (adattato da Kitazume et al., 2009b). Parte 1/2 Linee guida Pratiche diffuse Protocollo JGS0821 (JP) SGI (Svezia) EuroSoilStab (EU) Finlandia USA (Virginia Tech) USA (Raito) Cambridge (UK) Anno 2000 2006 2001 - - - - Applicazione DMM Dry DM DM colonnare DM di massa Dry DM Dry DM Wet DM Wet DM Wet DM Applicabilità terreni Tutti Argilla,Limo,Torba,Gyttja Terreni coesivi e organici - Terreni inorganici - - Setacciatura Rimozione parti d > 1/5 stampo Raccomandano di eliminare manualmente i grandi trovanti ed oggetti ASTM n.4 4,75mm Rimozione parti d > 1/4 stampo Dimensioni dello stampo '50mm x
h100mm; stampo più grande per ghiaie, h/'=2-2,5 '50mm x h170mm in generale; '50mm x h>200mm per le torbe '50mm x h100mm; o stampo più grande '68mm x h200- 300mm; o stampo più grande '45-50mm x h125-170mm '50mm x h100mm '50mm x h100mm o '75mm x h150mm Φ50mm x h100mm o
'100mm x h100mm Miscelatore Mixer tipo Hobart Miscelatore da cucina Miscelatore da cucina. Da decidere in base all''esperienza Miscelatore da cucina Miscelatore da cucina. Utensile ad uncino per terreni coesivi e piatto per non plastici Mixer tipo Hobart Miscelatore da cucina Preparazione campione di terreno Mantenuto al contenuto d''acqua naturale. Omogeneizzato. L''acqua persa non viene addizionata. Omogeneizzazione. Conservare Torba a 7° In presenza di Torba tempo omogeneizzazione limitato Omogeneizzare per 6min Omogeneizzare per 3-4min Conservare in camera umida. Omogeneizzare per 3min Mantenuto al contenuto d''acqua naturale. Omogeneizzato. Preparazione del legante Conservato asciutto. Impiego polvere o malta - Conservato asciutto. Impiego malta Acqua Acqua rubinetto o acqua marina - Acqua rubinetto o sito Acqua rubinetto o deionizzata Espressione legante Contenuto di legante (%) o Fattore legante (kg/m 3) Fattore legante (kg/m 3) - Fattore legante (kg/m 3) Contenuto di legante (%) Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 39 Tabella 2.2 - Procedure di laboratorio esistenti nei diversi paesi (parte2/2) (adattato da Kitazume et al., 2009b). Parte 2/2 Linee guida Pratiche diffuse Protocollo JGS0821 (JP) SGI (Svezia) EuroSoilStab (EU) Finlandia USA (Virginia Tech) USA (Raito) Cambridge (UK) Anno 2000 2006 2001 - - - - Miscelazione 10min con pausa per miscelazione manuale. Velocità 60- 260rpm Generalmente 5min. per i terreni organici 2- 5min per evitare distruzione delle fibre Generalmente 5min con intervento manuale Tra 2 e 6min con intervento manuale Tra 3 e 5min 10min Tra 7 e 10min Non specificato Tecnica confezionamento Miscela disposta in 3 strati. Rimuovere aria mediante TA. o vibrazione. Miscela disposta in 3 strati. Utilizzo RO., poi S.C. 100kPa per 5sec. Per la Torba N.C. se è liquida, altrimenti disporre 5-6 strati e usare RO. o D.C. Strati di 25mm. S.C. 100kPa per 2sec (6 per
strato). Per miscele liquide uso N.C. N.C.. Se miscela consistente suddividere in 5-6 strati e compattare. Scarificazione interfaccia tra 2 strati. Strati di 25mm. S.C. 100kPa per 6sec, altrimenti TA. o D.C. Strati di 25mm. impiego TA. se liquido. RO. 25 colpi ed S.C. 100kPa per 2-5sec se consistente. Miscela disposta in 3 strati ed
impiego RO. o TA. Miscela disposta in 3 strati per ' =50mm e 5 strati per ' = 75mm. Impiego TA. oppure RO. se consistente Miscela disposta in 3 strati ed impiego RO. Tempi di confezionamento Prima possibile Entro 20-30min dalla miscelazione con il legante Entro 45min da fine miscelazione con il legante Estrazione provino Quando acquisisce resistenza - Dopo completa maturazione - Dopo completa maturazione - Maturazione Sigillato con pellicola, maturazione (da1a28giorni ) in contenitore sigillato a T=20±3°C Sigillato in stanza a 7°C. per la calce maturazione(da14a180gior ni) a T ambiente. Per Torba applicazione 18kPa. T=20±2°C in acqua Sigillato a T=18-22°C Sigillato a T=18-22°C, in acqua e carico 18kPa Maturazione in cassetta con umidità>95% . Cemento: T=20°C primi 7giorni poi T=6-8°C Sigillato e mantenuto in camera umida a T=20°C. Periodi di maturazione: 7, 14, 28, 56 giorni T=23±3°C, umidità>95%. Periodi di maturazione: 3, 7, 14, 28 giorni T=20-21°C, umidità>98 %. Num provini '3 '1 - 1-4 2 1-2 3 Prove Compressione ELL (v=1%/min) ed altre Compressione ELL (v=1,5%/min), edometrica, triassiali Compressione ELL, edometrica, triassiali, taglio diretto, permeabilità Compression e ELL (v=0,2- 1mm/min) Compressione ELL (v=1%/min) ed altre Compressione ELL (v=0,25%/min) Compression e ELL (v<2%/min) Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 40 Figura 2.5 - Miscelatore utilizzato per amalgamare acqua e legante, miscelatore (Virginia Tech.) Hobart per miscelare terreno e legante (Helsinki University of Technology), miscelatore per omogeneizzare il campione di terreno (Swedish Geotechnical Institute). Figura 2.6 - Compattazione dinamica e Compattazione statica (SGI institute), Tapping (Helsinki University of Technology). Figura 2.7 - Tapping tramite tavolo con sistema di caduta: caduta da 10 cm di altezza per 100 volte (Dong-Ah); Rodding (Cambridge University). Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 41 Figura 2.8 - condizioni di maturazione in presenza di sovraccarico (SGI), in camera umida a temperatura costante, all''interno di contenitori sigillati con strato d''acqua al di sotto dei provini. Lo studio internazionale condotto sulle diverse procedure di laboratorio ha evidenziato che esse differiscono persino nei due paesi pionieri del metodo DM,
Giappone ed USA. Una seconda fase dello studio internazionale ha previsto una serie di prove condotte dalle diverse organizzazioni partecipanti, con lo scopo principale di capire
come e quanto le procedure di confezionamento e le condizioni di ambientazione
avessero effetti sui risultati di prove di laboratorio condotte sui provini di terreno
stabilizzato. Sono stati eseguiti tre test sui seguenti argomenti: studio dell''influenza
della tecnica di confezionamento sulla resistenza, densità e modulo di deformazione;
studio dell''influenza della temperatura e del tempo di maturazione sulla resistenza;
studio dell''influenza del tempo intercorrente tra l''inizio dell'' idratazione del legante
fino al completamento dei provini. La descrizione dettagliata della ricerca ed i risultati
ottenuti sono riportati in Kitazume et al. (2009b). Sette organizzazioni hanno preso parte ai test (Tabella 2.3). Va ricordato che ogni organizzazione ha portato avanti tali test utilizzando i terreni e i leganti disponibili
in loco. Tabella 2.3 - Lista dei partecipanti e selezione dei test eseguiti nelle diverse organizzazioni. Paese di origine Corea Giappone Svezia UK Organizzazione Dong-Ah GE PARI CERI CDM DJM SGI CU Test 1 * * * * Test 2 * * * * * * Test 3 * * * * * Dong-Ah GE: Dong-Ah Geological Engineering Co. Ltd PARI: Port and Airport Research Institute
CERI: Engineering Research Institute of Cold Region CDM: Associazione Cement Deep Mixing DJM: Associazione Dry Jet Mixing SGI: Swedish Geotechnical Institute CU: Università di Cambridge Vengono di seguito descritti i test eseguiti e i risultati ottenuti. 2.2.2 Test 1: Influenza delle tecniche di confezionamento sulla resistenza del terreno trattato Il principale scopo di questo test è stato quello di capire l''effetto delle tecniche di confezionamento sui risultati ottenuti in termini di densità e resistenza del terreno
trattato. I test sono stati effettuati da quattro organizzazioni, Port and Airport Research Institute (PARI), Dry Jet Mixing Association (DJM),Swedish Geotechnical Institute Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 42 (SGI), Cambridge University (CU), su tre diverse tipologie di terreni: Gyttya (SGI),
terreno argilloso ad alta plasticità (PARI, DJM) e terreno argilloso a bassa plasticità
(CU). Il contenuto d''acqua è stato fissato pari al limite di liquidità nella maggior parte
dei casi. Solo per i test eseguiti a Cambridge il wn è stato variato, per modificare la
consistenza dei terreni sottoposti a test. Per quanto riguarda la tipologia di legante, esso è stato scelto in base all''esperienza locale, variando il contenuto di cemento (rapporto tra peso di legante
secco e peso di terreno asciutto) tra il 5 e 37 %. Il tempo di maturazione è stato fissato a
28 giorni. La miscela è stata riposta all''interno degli stampi in tre strati successivi. Sono state usate cinque tecniche di confezionamento: (1) Compattazione Dinamica: Prevede la compattazione di ciascuno strato mediante una massa battente. PARI ha testato miscele liquide, pertanto ha impiegato
un''asta metallica con la funzione di pestello di diametro 3cm battuta 50 volte per strato;
(2) Compattazione Statica: compressione di ciascuno strato di miscela attraverso una
pressione statica. L''entità della pressione e il tempo di applicazione variano in funzione
dell''esperienza locale delle organizzazioni partecipanti (PARI e DJM: applicazione
100kPa mediante pressa per 15sec; CU: applicazione 666g per 30sec); (3) Tapping:
Consistente nel battere ciascuno strato sul piano lavoro un certo numero di volte
dipendente dall''esperienza locale delle organizzazioni (PARI ed SGI: 50 colpi per
strato; DJM: 10 colpi per strato); (4) Rodding: Ogni strato è stato compattato usando
un''asta metallica, detta rod. Il numero di battute e il diametro del rod sono scelti in base
all''esperienza locale (SGI, CU: asta 8mm, 30 battute); (5) Nessuna compattazione:
consistente semplicemente nel riempire lo stampo versando la miscela evitando
qualsiasi tipo di compattazione (CU). I grafici riepilogativi riportati in Figura 2.9 mostrano l''andamento della resistenza non confinata qu (sia in valore assoluto sia in valore normalizzato rispetto a
quello ottenuto con la tecnica Tapping o Rodding) con il variare delle tecniche di
compattazione. Figura 2.9 - Influenza della tecnica di confezionamento sulla resistenza qu: qu- tecnica di compattazione; qu normalizzato-tecnica di confezionamento. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 43 Come si può notare dai risultati delle organizzazioni DJM, CU e PARI risulta che la compattazione dinamica e statica fornisca dei valori di resistenza minori del 20-
50% rispetto quelli ottenuti con Tapping e Rodding. ' stato inoltre notato che al variare
del contenuto di legante non si ha una variazione significativa di resistenza (DJM),
andamento che è stato invece riscontrato variando il contenuto d''acqua iniziale (CU).
Si è inoltre constatato che non vi è alcuna influenza della tecnica di compattazione sul
contenuto d''acqua: non si verifica alcuna perdita d''acqua anche dopo l''applicazione del
carico statico o dinamico (Figura 2.10). Il modulo secante E50 segue lo stesso andamento della resistenza. Rapportando l''E 50 alla qu si nota come questo vari poco al variare della tecnica di confezionamento, fatta esclusione per i risultati di PARI dove si
verifica un aumento di tale rapporto per la compattazione dinamica e statica per i motivi
sopra descritti. Per quanto riguarda la densità si può dire che in linea generale essa non è influenzata dalla tecnica di compattazione. L''unico andamento anomalo si riscontra nei
risultati del PARI che registrano una minore densità relativamente ai provini
confezionati con la compattazione dinamica e statica (forte presenza di vuoti d''aria
all''interno dei provini). Mettendo a confronto tali dati con quelli di resistenza ottenuti
sempre con l''organizzazione PARI, si nota che questi ultimi seguono lo stesso
andamento: ad una diminuzione di densità corrisponde una minore resistenza qu. Figura 2.10 - Influenza della tecnica di confezionamento sulle proprietà fisiche del terreno trattato: contenuto d''acqua; peso di volume. 2.2.3 Test 2: Influenza della temperatura e del tempo di maturazione L''influenza della temperatura di maturazione sui terreni trattati con la tecnologia del Deep Mixing risulta essere un elemento di rilevante importanza nelle applicazioni
pratiche. E'' stato osservato che esiste una distinta differenza di temperatura di
maturazione tra regioni con clima freddo e temperato. L''obiettivo principale di questa
serie di prove (TS2) è stato quello di esaminare l''influenza della temperatura
sull''andamento della resistenza nel tempo. Le organizzazioni partecipanti sono 6: PARI e DJM (test su terreni argillosi ad elevata plasticità), Dong-Ah GE e CU (test su terreni argillosi a bassa plasticità),
Engineering Research Institute of Cold Region (CERI) ed SGI (test eseguiti su torba). Il
contenuto d''acqua iniziale e il contenuto di legante sono stati variati. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 44 In linea generale si verifica che, dopo un prefissato periodo di maturazione, una maggiore temperatura di maturazione fornisce dei valori di resistenza maggiori a parità
di tipologia e contenuto di legante. Non segue questo andamento la torba sperimentata
dall''organizzazione svedese SGI che, maturando ad una temperatura di 40°C, non
mostra alcun aumento di resistenza nel tempo a causa delle condizioni intrinseche della
torba; pertanto non per tutti i terreni un aumento di temperatura provoca un incremento
di resistenza. In generale lo studio mostra l''esistenza di una relazione quasi lineare tra l''incremento di resistenza ed il logaritmo del tempo di maturazione, a prescindere dalla
temperatura di maturazione, dalla tipologia di legante e dalla percentuale di legante.
Nello studio vengono riportati anche grafici che mostrano la relazione tra la resistenza
qu normalizzata con la qu a 20°/28d, ed il logaritmo del tempo di maturazione per le
diverse temperature (Figura 2.11), interpolati successivamente da alcune funzioni di
''Maturazione' M, in gradi/giorni (°/gg), che combinano gli effetti del tempo di
maturazione e della temperatura (Tabella 2.4). Tali funzioni possono essere impiegate per stimare il valore di resistenza qu a 20°/28gg impiegando una maggiore temperatura di maturazione e tempi minori. Figura 2.11 - Aumento di resistenza con il tempo di maturazione e effetto della temperatura di maturazione per terreni argillosi ad alta plasticità (PARI, DJM) ; argillosi a bassa plasticità (Dong, CU); torba (CERI, SGI). Le resistenze sono normalizzate rispetto al valore a 20°/28giorni. Per i terreni argillosi la resistenza normalizzata la Maturazione espressa da M1 non viene considerata rappresentativa dell''effetto combinato di tempo e temperatura di
maturazione sull''incremento della resistenza. Le funzioni M 3,4 mostrano un unico andamento positivo rispetto alla resistenza normalizzata, a prescindere dalla
temperatura di maturazione; per questo le definizioni 3 e 4 vengono considerate più
adatte negli studi che coinvolgono terreni argillosi a bassa o elevata plasticità. Per
esempio il valore di resistenza qu a 20°/28gg può essere ottenuto impiegando una
temperatura di maturazione di 40°C in 5,5 giorni (M3) o 3,8 giorni (M4). Per quanto Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 45 riguarda la torba le tre definizioni della maturazione M1,3,4 non mostrano particolari
differenze se messe in relazione con la qu normalizzata; in tutti e tre i casi la relazione è
lineare. Tabella 2.4 - Definizioni della funzione di Maturazione proposte in studi precedenti. Maturazione [°/gg] Formula Autore M1 Σ(T-T 0)·tc Definizione generale per cemento/calcestruzzo M2 2.1exp((T-T0)/10)·tc Nakama, Saitoh, Babasaki (2003) M3 (20+0.5·(T-20))2·''tc 'hnberg & Holm (1984) M4 2exp((T-T0)/10)·tc JGS TC Report (1996) dove T è la temperatura di maturazione [°C], T0 = -10°C, tc è il periodo di maturazione [gg, giorni] 2.2.4 Test 3: Influenza del tempo intercorrente tra idratazione del legante e fine compattazione La correlazione tra le proprietà geotecniche e i ''tempi di attesa' è molto importante. Infatti in sito quando si va ad eseguire materialmente il trattamento con
Deep Mixing, è normale avere alcuni periodi di attesa dopo l''idratazione del cemento (o
più in generale del legante) prima dell''inizio delle operazioni di mixing. Questo per
svariati motivi tra cui il fatto che l''idratazione della miscela viene effettuata su una
grande quantità che non viene utilizzata tutta in una volta, ad esempio per la
realizzazione della prima colonna, ma andrà ad alimentare una serie di verticali. Oltre a
questo, risulta molto importante studiare l''effetto del tempo di attesa dopo la
miscelazione (ovvero della realizzazione delle colonne di terreno trattato) prima del
campionamento a fresco di provini da testare in laboratorio. Questo è utile a dare delle
linee guida per le operazioni di controllo di qualità dell''opera realizzata. Lo scopo di questa serie di prove è quello di investigare l''effetto del tempo di attesa: A) dalla preparazione (ovvero idratazione) del legante alle operazioni di mixing
con il terreno; B) dalla fine delle operazioni di mixing alla realizzazione dei provini
(campionamento in sito), sulla resistenza del terreno trattato. Tale test ha visto la partecipazione di 5 organizzazioni: Dong-Ah GE, PARI, CDM, SGI, CU. I terreni oggetto delle prove sono 3: Gittya, terreni argillosi a bassa ed
elevata plasticità. I risultati, illustrati in Figura 2.12, mostrano una leggera variazione (generalmente inferiore al 20%) dei valori di resistenza normalizzati rispetto al caso di
assenza di ritardo (tempo di attesa = 0) in entrambi i casi A (fino a 120min) e B (fino a
60min). Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 46 Figura 2.12 - Relazione qu normalizzata/tempo di riposo della malta cementizia; relazione qu normalizzata/tempo di riposo della miscela terreno legante. Pertanto dagli effetti osservati Kitazume et al. (2009b) raccomandano di terminare la fase di confezionamento entro 30-45 minuti dall''aggiunta del legante al
terreno. 2.3 Controllo di qualità durante l''esecuzione (QC) Il controllo della qualità durante il processo di esecuzione della colonna risulta essere un elemento essenziale per assicurare la bontà del lavoro. Durante tale processo
vanno eseguite le seguenti verifiche da parte della ditta esecutrice dei lavori: ' Prove sul legante e/o sulla malta cementizia seguendo le raccomandazioni del programma di controllo di qualità. Tali prove includono: peso specifico,
viscosità, resistenza a compressione; ' Controllo dei parametri di produzione visualizzati, modificati e registrati dal computer della macchina operatrice (quando disponibile): - Posizione e profondità di ogni pannello; - Flusso e quantità totale di malta iniettata; - Pressione del flusso della malta; - Pressione della miscela terreno/cemento a vari livelli nel pannello; - Volume malta/tempo e volume malta/profondità; - Deviazioni dalla verticale lungo gli assi x ed y; - Velocità di rotazione delle ruote e altri parametri. - Parametro T, Blade rotation number (§ 1.6.1) In particolare il parametro T, (dipendente da fattori come velocità di penetrazione/risalita dell''utensile e velocità di rotazione dell''utensile durante la
penetrazione/risalita, § 1.6.1), viene monitorato durante tutta la fase di esecuzione del
trattamento per poter assicurare la corrispondenza con il valore stabilito in fase
progettuale, e quindi valutare la qualità della miscelazione eseguita. Bruce et al. (2000)
distingue tre livelli di controllo più o meno approfondito e dipendente dalla tecnologia
impiegata, sommariamente descritti di seguito: Livello 1: I parametri di miscelazione e iniezione del legante sono controllati attraverso semplice strumentazione e possono essere visualizzati dal personale su Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 47 indicatori analogici o digitali. Le proprietà della miscela, come ad esempio la densità e
la viscosità, sono misurate manualmente in sito mediante l''uso di particolari strumenti,
come ad esempio il Baroid Mud Balance per la misura della densità (Figura 2.13). Figura 2.13 - Baroid Mud Balance. I principali parametri di perforazione sono visualizzati all''interno della cabina e sono controllati manualmente dall''operatore stesso: egli è in grado di evidenziare dei
cambiamenti nei parametri di perforazione e iniezione in relazione agli input che gli
vengono dall''impianto di miscelazione a cui è collegato telefonicamente. Livello 2: I parametri di iniezione e miscelamento sono controllati automaticamente da un computer e sono preimpostati per ottenere un certo rapporto di
volume (definito come il rapporto tra il volume di miscela iniettato e il volume di
terreno da trattare espresso in %) e il cement factor (definito come il rapporto tra il peso
del legante introdotto nel terreno e il volume del terreno da trattare).
Contemporaneamente questi dati sono immediatamente visualizzati sul display presente
all''interno della cabina e confermano la bontà delle caratteristiche della miscela. '
comunque possibile correggere manualmente tali parametri. Alla fine della perforazione
è possibile avere un grafico che mostra l''andamento nel tempo dei principali parametri
di perforazione. Il sistema computerizzato del metodo CDM (Yano et al., 1996) è stato
inizialmente implementato per garantire un''alta qualità di esecuzione delle colonne.
Esso è costituito da una sezione in cui è posto un sensore e da un''altra adibita alla
gestione dell''esecuzione della colonna trattata. La prima include i sensori per il
monitoraggio della profondità, della velocità di penetrazione e estrazione, della velocità
di rotazione dell''utensile e della portata del legante immesso, mentre la sezione di
gestione include gli strumenti di elaborazione, monitoraggio e registrazione. Tale
sezione controlla che durante la perforazione i parametri di perforazione rispettino gli
standard. Alla fine della perforazione si può disporre di un report giornaliero e il report
totale di produzione che include il numero di colonne, la loro lunghezza e la quantità di
cemento utilizzata. Diversi metodi hanno implementato e ulteriormente modificato e
approfondito questo livello di controllo, come riportato di seguito. Livello 3: I più recenti macchinari per interventi di Deep Mixing presentano il più alto livello di controllo attualmente disponibile (Al-Tabbaa et al., 2009; Bringiotti,
2010; Deschamps, 2012; Gerressen, 2012; Quasthoff 2012). Per esempio la macchina
CSM dispone di un microprocessore che misura ogni 3-6 secondi fino a 50 differenti
parametri, quali la velocità angolare dell''utensile, la velocità di penetrazione, il
momento torcente, la spinta, la densità della miscela e la pressione (Figura 2.14). Il
computer può modificare i parametri di iniezione in base alle caratteristiche del terreno
attraversato in modo tale da mantenere degli standard per ogni strato attraversato. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 48 L''operatore controlla i dati attraverso un touch screen. Questo livello è inoltre
caratterizzato da un registrazione continua dei dati per ogni colonna installata. Tali
record possono essere stampati su formati diversi per produrre un archivio di
assicurazione della qualità per ogni colonna eseguita, visualizzando l''andamento dei
parametri in funzione del tempo o della profondità. Figura 2.14 - Schermo a disposizione dell''operatore e restituzione cartacea dei dati di produzione (Deschamps, 2012; Bringiotti, 2010). 2.3.1 Prelievo di campioni ''wet grab' Durante l''esecuzione delle colonne o pannelli di Deep Mixing si prelevano campioni di miscela terreno cemento da sottoporre a prove specifiche, quali resistenza a
compressione. Il prelievo di tali campioni viene eseguito con appositi campionatori
inseriti nella colonna appena realizzata tramite l''ausilio di un mezzo di sollevamento: lo
strumento fissato generalmente sulla fine dell''argano penetra sino alla profondità
richiesta. In seguito all''apertura dell''apposita valvola, la miscela entra all''interno. In
seguito al riempimento del campionatore, viene richiusa la valvola e si recupera
l''utensile. Sequenze tipiche di campionamento sono di una al giorno ovvero uno ogni
500m 3 circa di terreno trattato. La miscela viene poi disposta all''interno di un secchio e vengono successivamente confezionati i provini che sono fatti maturare in condizioni
controllate (generalmente in laboratorio) e testati ad opportuni tempi di maturazione. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 49 Deschamps (2012) riporta l''impiego di due diversi campionatori per il prelievo di
miscela terreno-cemento fresca: un campionatore meccanico, facile da riempire
soprattutto in presenza di miscele liquide, per raccogliere materiale a basse profondità in
quantità sufficiente a preparare 10 provini e un campionatore pesante che prevede la
presenza di due valvole idrauliche, con possibilità di realizzare fino a 16 provini e
raggiungere profondità di 12 m (Figura 2.15). Figura 2.15 - Tipi di campionatori utilizzati per prelievo di miscela fresca (Deschamps 2012). Kitazume (2012) riporta invece l''impiego di due campionatori di dimensioni inferiori: il primo ha forma geometrica circolare (diametro 200mm), per l''impiego in
presenza di miscele aventi comportamento molto fluido, è dotato di un tappo
all''estremità che può essere momentaneamente separato da operazioni attraverso le aste
cave per permettere il riempimento con la miscela. Il secondo ha forma rettangolare (lati
200mm x 150mm) ed è dotato di una valvola idraulica sul fondo che rimane aperta per
permettere l''ingresso della miscela in continuo in fase di discesa sino alla profondità
voluta e che si richiude con l''iniziare della fase di risalita. I campionatori sono ancora in
fase di studio (Figura 2.16). Figura 2.16 - Due tipologie di campionatori a sezione circolare e rettangolare (Kitazume 2012). Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 50 Campioni del reflusso dal pannello possono essere prelevati per eseguire ulteriori prove in laboratorio. Al-Tabba (2012) riporta i margini di errore associati a prove condotte a partire da campioni wet grab, compresi nel range 10-25 % relativamente a prove ELL e nel
range 10-20% per prove di lisciviazione. Non sono attualmente disponibili procedure standardizzate per il prelievo di campioni di miscela fresca e il confezionamento dei provini in sito (Figura 2.17), che
quindi presentano le stesse problematiche riscontrate e descritte precedentemente per i
provini confezionati in laboratorio (§ 2.2). Figura 2.17 - Esempi di stampi e tecnica di confezionamento impiegati in un cantiere. Alcune volte i campioni di miscela fresca possono essere prelevati ed inseriti all''interno di contenitori ermetici e successivamente carotati in seguito all''indurimento
della miscela per realizzare un provino di opportune dimensioni (Bellato et al., 2012a). 2.4 Campo prova Il campo prove gioca un ruolo fondamentale nella progettazione di interventi di Deep Mixing, come descritto in § 2.1. Infatti, grazie ad una sua corretta esecuzione da
parte della ditta incaricata dei lavori e alle prove in situ eseguibili possono essere
individuati tutta una serie di accorgimenti e di procedure operative in grado di garantire
un migliore risultato dell''intervento ed ottimizzare i parametri operativi del trattamento
e quindi confermare che determinati requisiti di progetto possano realmente essere
raggiunti in sito. Oltre a questo, il campo prova è necessario anche per determinare i
criteri per le procedure QC/QA. Il campo prova consiste nella installazione di colonne o
pannelli dimostrativi usando gli stessi metodi, materiali, tecniche e procedure previste
per l''esecuzione dei lavori. Generalmente si realizzano 4 o 5 colonne/pannelli in una
zona che permetta anche di esporli in modo tale da valutare la loro qualità visiva e
provvedere al prelievo di campioni. Aspetti principali da considerare, ricavati dai test sul campo prova, sono: ' Proprietà di resistenza e rigidezza del terreno stabilizzato (possibilmente valutandone l''andamento con la profondità, soprattutto in presenza di terreni
stratificati) e variazione nel tempo; ' Omogeneità del terreno trattato;
' Impatto ambientale del terreno trattato; Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 51 ' Considerazioni di tipo economico (i.e. costo legante, costi di installazione, etc.) I principali parametri da settare mediante campo prova sono: ' velocità di penetrazione ed estrazione (tempo di miscelazione);
' velocità di rotazione e coppia dell''utensile miscelatore;
' sovrapposizione delle colonne/pannelli;
' portata di legante/miscela. Quando le colonne (o i pannelli) devono essere fondate su un substrato con caratteristiche meccaniche differenti da quelle del terreno trattato ovvero se si devono
trattare terreni con caratteristiche meccaniche differenti che richiedono di agire sui
parametri operativi per ottenere omogeneità nel trattamento, la coppia e/o la variazione
della resistenza alla penetrazione possono essere misurati per stabilire valori di controllo
per la fase esecutiva. In fase di realizzazione e dopo un certo periodo di maturazione, in
genere una settimana, si possono eseguire tutta una serie di prove (descritte in § 2.3 e
2.5), quali il prelievo di campioni wet grab o da miscela indurita, esposizione delle
colonne, prove in sito, etc. I risultati di queste prove sono utili per ottimizzare i
parametri del trattamento e preparare un programma di controllo della qualità da
mantenere durante l''esecuzione del trattamento. Spesso si fa riferimento ai risultati delle prove riferiti a 7 giorni dall''istallazione della colonna/pannello, non potendo aspettare una maturazione completa a 28 giorni
principalmente per motivi economici. Pertanto particolare importanza nella fase
preliminare in laboratorio viene data alle prove a 7 giorni di maturazione e alle relazioni
per esempio che legano le resistenze a compressione qu7-qu28 (vedi § 1.7.3; le relazioni
individuate nel presente studio sperimentale sono riportate ai § 5.1 e 5.3) utili a stimare
l''andamento della resistenza nel tempo in sito ipotizzando sia affetto dallo stesso tasso
di incremento misurato in laboratorio. 2.5 Assicurazione di qualità (QA) Al termine del trattamento vengono svolti dei controlli da parte del committente o della stessa ditta esecutrice indirizzati alla verifica degli obiettivi di progetto. Questa
operazione è in genere eseguita tramite prove in laboratorio (su campioni indisturbati o
prelevati a fresco) o prove in sito. In caso di prelievo di campioni, questi dovrebbero
essere tutti delle stesse forme e dimensioni e preparati nel medesimo modo. 2.5.1 Esposizione di colonne In alcuni casi è possibile provvedere all''esposizione delle colonne eseguite per condurre un''ispezione visiva, specialmente per basse profondità. La possibilità di
esporre il terreno trattato permette di osservare non solo la forma della colonna, ma
anche la sua omogeneità, il diametro e la bontà della sovrapposizione con altre colonne
(Figura 2.18). Permette inoltre di raccogliere campioni di qualsiasi forma e
orientazione, diversamente da quanto può essere ottenuto dal carotaggio. Sul terreno
esposto può essere spruzzata una soluzione di fenolftaleina per indicare la presenza di
cemento all''interno della colonna e stimare l''omogeneità della miscelazione. Le singole Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 52 colonne possono essere anche completamente estratte dal terreno e successivamente
testate (Figura 2.19, Figura 2.20). I principali svantaggi di tale tecnica sono sicuramente i costi, il tempo e la logistica, ma in progetti di notevole importanza e particolarmente complessi, tale pratica
si rivela un importante mezzo di verifica (in particolare impiegata durante i campi
prova) e di dimostrazione della qualità dell''intervento durante la fase costruttiva. Figura 2.18 - Esempi di colonne e pannello esposti. Figura 2.19 - Pannello CSM estratto ed ingrandimento di inclusione di terreno soffice non trattato (Denies et al., 2012b). Figura 2.20 - Colonna Deep Mixing estratta ed esecuzione prova di compressione (Bruce 2012). Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 53 2.5.2 Prelievo di campioni di miscela indurita Il prelievo di campioni è considerata la prima fonte dati riguardanti le caratteristiche generali dei terreni trattati, in particolare in presenza di colonne o
pannelli di notevole profondità, e che quindi non possono essere generalmente esposti.
Il carotaggio del terreno trattato ed indurito, se condotto responsabilmente e con
attenzione da operatori esperti, può fornire campioni rappresentativi per l''osservazione
visuale e per prove di laboratorio. Le perforazioni possono essere realizzate
verticalmente in posizioni diverse nei pannelli per verificare l''omogeneità del
trattamento (Figura 2.21). Qualora i pannelli siano stati eseguiti in modo da sovrapporsi uno all''altro per un certo tratto, le perforazioni possono essere eseguite in corrispondenza dei giunti. Tale
metodo di controllo risulta invasivo, in quanto si va a ledere l''integrità del pannello, ma
altrettanto necessario per verificare la lunghezza di sovrapposizione tra i pannelli. Tra le
misure da adottare per ottenere un campionamento rappresentativo e che riduca il
disturbo arrecato al materiale trattato (Figura 2.22), vi sono ad esempio l''impiego di
carotieri con diametro maggiore di 76 mm, a tripla parete e lubrificazione della parte
interna del campionatore. Figura 2.21 - Campionatore Schnabel per il prelievo di una verticale di terreno trattato (Weatherby, 2012). Figura 2.22 - Disturbo dei campioni (Weatherby, 2012). Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 54 Secondo Filz (2012), gli elementi Deep Mixing sui quali eseguire un campionamento meccanico devono essere pari a 1-3% rispetto al totale delle colonne
eseguite. Nella pratica comune si usa campionare l'' 1% degli elementi Deep Mixing nei
progetti di grandi dimensioni, mentre il 3% è consigliato per progetti caratterizzati da
maggiore incertezza (piccole dimensioni) o da gravi conseguenze in caso di fallimento. Al-Tabba (2012) riporta i margini di errore associati a prove eseguite a partire da campioni prelevati di miscela indurita, compresi nel range 15-55 % relativamente a
prove ELL e nel range 10-100% per prove di lisciviazione. Tali margini risultano essere
superiori a quelli individuati per i campioni wet-grab. 2.5.3 Prove geotecniche Specialmente nelle regioni Scandinave dove le colonne trattate hanno bassa resistenza, è comune usanza adattare le prove geotecniche esistenti per il calcolo della
resistenza al taglio non drenata a partire da prove penetro metriche (per esempio prova
CPT, Figura 2.23). Figura 2.23 - Valutazione delle proprietà di una colonna di terreno trattato mediante prova CPT eseguita 5 mesi dopo la realizzazione (Van Impe et al., 2007). Possono anche essere eseguite delle prove di carico statiche e/o dinamiche su di un certo numero di colonne. Secondo EuroSoilStab (2002) un numero almeno pari allo
0,5 % delle colonne prodotte dovrebbero essere testate in caso di progetti di grandi
dimensioni, mentre nel caso di progetti medio-piccoli la percentuale consigliata sale
all''1,5 %. Tra le specifiche prove maggiormente eseguite vi sono: Prova PORT (Pull Out Resistance Test): L''utensile deve essere installato in profondità nello stesso momento di esecuzione della colonna, viene estratto dopo circa Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 55 2-4 settimane dalla colonna stessa ad una velocità di 20 mm/s. Si ottiene un valor medio
della resistenza a taglio mediante la formula: q'= P/(Nc A) [kPa] (dove: P = resistenza
alla penetrazione netta; Nc = fattore di capacità tra 10-15; A = area del penetrometro). Tale metodo può essere utilizzato anche su colonne con grande resistenza (fino 600 kPa) e lunghezza (fino a 20m). E'' molto semplice da eseguire. Occorre però tenere
in conto che la colonna da sottoporre al test deve essere scelta in anticipo (Figura 2.24). Prova PRT (Push in Resistance Test): Il principio è il medesimo del PORT eccetto per il fatto che la resistenza al taglio viene misurata durante la fase di infissione
(Figura 2.25). ' un metodo di verifica semplice e poco costoso, funziona perfettamente
per profondità minori di 5 m e resistenze comprese tra 150 e 300 kPa. Per profondità
maggiori è necessario installare una guida poiché lo strumento tende a deviare dalla
verticale. Figura 2.24 - Penetrometro utilizzato nel PORT. Figura 2.25 - Penetrometro utilizzato nel PRT. 2.5.4 Prove geofisiche Le prove geofisiche sono largamente utilizzate in Giappone come mezzo di verifica della resistenza, integrità e omogeneità delle colonne trattate mediante DM.
Tuttavia, nonostante siano delle prove promettenti, non sono ancora considerate prove
di routine. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 56 Tra le prove maggiormente utilizzate vi sono: prove SASW, prove downhole, uphole e crosshole eseguite per verificare la continuità del trattamento e misurare il
miglioramento delle caratteristiche meccaniche del terreno trattato. 2.6 Rapporti di visita cantieri Deep Mixing Nel corso della permanenza di sei mesi presso il Port and Airport Research Institue, è stato possibile condurre due sopralluoghi in cantieri di Deep Mixing, come
descritto nei paragrafi seguenti 2.6.1 Cantiere Wet Deep Mixing 1, zona Baraki-Nakayama Figura 2.26 - Vista globale del cantiere e partecipanti. Da sinistra verso destra: Mr. Tokunaga (CDM); Dr. Fukushima (Fudo Tetra corporation); Mr. Taguchi (TOA corporation); Prof. Kitazume (PARI); Dr. Ming (ReCeSS Malesia); il sottoscritto; Dr. Kilpenainen (VTT); Prof. Heikkila (University of Oulu). Lavori per la realizzazione di un doppio sottovia carrabile di svincolo per l''autostrada esistente. Trattamento di Wet Deep Mixing impiegato allo scopo di
contrastare possibili fenomeni di liquefazione, relativamente alle sabbie presenti al di
sotto dello strato superficiale argilloso. La falda è presente a circa 2m dal p.c. Macchinario impiegato: CDM standard provvisto di due alberi rotanti lisci e n°3 lame miscelatrici alle estremità (Figura 2.27). Diametro della singola colonna di terreno trattato: 1000 mm, interasse tra le aste: 800 mm, area dell''unità di trattamento: 1,50 m 2. Profondità del trattamento: -7,30 m dal piano campagna. Impiego di Slug Cement B-type, rapporto Acqua:Cemento = 1:1, cement factor: 94kg/m 3. Resistenza qu target a 28 giorni: 250 kPa, pari a 1/3 di quella valutata mediante prove in laboratorio:
750 kPa. (In accordo alle norme JGS 0821-2000, qu,field = (1/3 - 1)qu,lab). La
configurazione di trattamento scelta è del tipo a ''griglia', avente dimensioni 61.5m x
12.0m, con celle di dimensioni 4.0m x 4.8m. L''interasse tra coppie di colonne di terreno
trattato è di: 1600mm (Figura 2.28). Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 57 Figura 2.27 - Macchinario CDM impiegato, particolare delle lame miscelatrici rotanti. Figura 2.28 - Unità di trattamento, schema planimetrico e sezione del trattamento. La velocità di discesa e risalita delle lame rotanti è pari a 1 m/min. In fase di discesa (velocità di rotazione pari a 20 rpm) ha luogo l''iniezione della miscela
cementizia, a partire dalla sommità dello strato sabbioso sino alla profondità desiderata;
successivamente avvengono una fase di bottoming (breve ciclo di salita e discesa nei
pressi della base) e la risalita, a velocità di rotazione invertita e raddoppiata (40 rpm). I valori di velocità scelti sono tali da assicurare (unitamente al numero di lame miscelatrici pari a 3, quindi M = 6) un valore del parametro T (numero di rotazione
delle lame, § 1.6.1) superiore a 360rpm/m, pari allo standard di riferimento giapponese. Nel caso in esame sono previsti 6 carotaggi per prelevare campioni dalle colonne di terreno trattato, sui quali effettuare prove di compressione a 28 giorni in laboratorio.
Tali sondaggi verranno eseguiti a 2 settimane di distanza dal trattamento; le carote
prelevate saranno poi tenute altre 2 settimane in laboratorio e successivamente testate. Costo del singolo prelievo + relative prove: 600,000Y (circa 5,500'). Tutti i parametri operativi della macchina sono settati automaticamente, ad eccezione della velocità di discesa e risalita delle aste rotanti controllata manualmente
dall''operatore (Figura 2.29). Questo perché in caso di problemi, come ad esempio
l''incontro di ostacoli o grossi trovanti, si possa decidere di ridurre la velocità o fermare
l''avanzamento, evitando quindi la rottura delle aste. Qualora l''ostacolo dovesse essere Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 58 insuperabile, sono due le alternative adottate: rimozione dello stesso (se il problema è
superficiale si può scavare, altrimenti viene impiegata una macchina speciale, una
specie di trivella); impiego di una tecnica alternativa, ad esempio il Jet Grouting. L''impianto per la produzione della malta cementizia prevede un Silos da 330ton di cemento, un Agitatore (aggiunta acqua), due vasche per la raccolta della malta
cementizia (V = 2 m 3) e una Pompa (Figura 2.30). Per il sito in esame verranno impiegate 500ton/day di cemento. Figura 2.29 - Display operatore: Colonne dei parametri operativi in giallo (da sinistra verso destra profondità (m), velocità (m/min) e portate iniezione (l/m)) e grafico dell''andamento con il tempo, con evidenziata la fase di bottoming. Figura 2.30 - Impianto di produzione della malta cementizia. 2.6.2 Cantiere Wet Deep Mixing 2, zona Shin-Kiba (baia di Tokyo) Lavori per la realizzazione di un''area di smaltimento di terreni dragati nel porto di Tokyo. Trattamento di Wet Deep Mixing impiegato allo scopo di migliorare le
proprietà meccaniche dei terreni argillosi di fondazione dei cassoni di protezione
(Figura 2.31). La profondità del fondale marino nel sito in esame è di circa 13m. Il
trattamento del terreno argilloso presente inizia a -13.2m, sino a raggiungere -43m di Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 59 profondità, in corrispondenza dello strato sabbioso individuato dalla campagna di
sondaggi. In Figura 2.32 è raffigurato il macchinario impiegato, POCM '' 12 (Penta-Ocean Chemical Mixing Method), direttamente montato su un battello (richiesta una
profondità minima del fondale pari a 5m). Tale macchinario prevede una profondità
massima raggiungibile pari a 52m, oltre i quali si possono applicare ulteriori 10m di
aste. Trattamento possibile per terreni con NSPT < 30. Il macchinario POCM-12 è
provvisto di quattro alberi rotanti e n°6 lame miscelatrici alle estremità. Diametro della
singola colonna di terreno trattato: 1310mm, interasse tra le aste: 990mm; unità di
trattamento di forma quadrata (quattro colonne parzialmente sovrapposte) di lati
2300mm ed area 4.65m 2. Figura 2.31 - Sezione della barriera prevista per la futura area di smaltimento, con evidenziato l''intervento di Deep Mixing. Figura 2.32 - Vista del cantiere mobile POCM-12 e particolare lame miscelatrici e dei 6 ugelli impiegati, di cui 4 posizionati sopra le lame e 2 all''estremità delle stesse. Sono state condotte delle prove preliminari di laboratorio sui campioni di terreno prelevati in sito: 2 sondaggi x 3 profondità di prelievo x 2 campioni = 12 casi; 1 caso = 3 miscele x 2 tempi di maturazione x 3 provini. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 60 In seguito alla caratterizzazione iniziale, è stato scelto Slug Cement B-type, con aggiunta di un agente chimico con doppia funzione di fluidificante e ritardante della
presa. Tale additivo assicura quindi una riduzione dell''acqua richiesta nella miscela e
previene il rischio di intasamento delle tubazioni (la distanza dall''impianto di
miscelazione agli ugelli è superiore a 100m). Inoltre è stato scelto un rapporto
Acqua:Cemento = 0.6 con impiego di acqua marina ed un cement factor variabile con la
profondità, dal basso verso l''alto: 155, 165, 175kg/m 3. La resistenza qu target a 28 giorni risulta pari a 2,50MPa. La configurazione di trattamento scelta è ''lattice type' (a reticolo), che prevede l''impiego di file di colonne
alternate di lunghezza diversa (Figura 2.33). Le dimensioni del trattamento sono pari a
65,2m x 55,0m, per 29,8m di profondità. L''interasse tra le unità di trattamento è fissato
in modo da assicurare una compenetrazione di 30cm (8 unità in 16m lineari). Figura 2.33 - Schema del trattamento ''lattice type' previsto. La velocità di discesa delle lame rotanti è inizialmente pari a 1m/min (velocità di rotazione pari a 50rpm) sino a ridursi alla metà a pochi metri dal fondo (velocità di
rotazione pari a 40rpm). Successivamente avvengono una fase di bottoming e la risalita
(seguendo le stesse velocità della fase di penetrazione) durante la quale avviene
l''iniezione della miscela cementizia. Per l''esecuzione di una verticale (4 colonne) di
29,8m occorrono circa 1,5 ore. Uno dei motivi per i quali la fase di iniezione della miscela avviene solamente in fase di risalita è quello di evitare che, nel caso di interruzione della penetrazione (dovuta
ad esempio al blocco delle lame nel terreno), la miscela inviata agli ugelli possa fare
presa nel circuito e intasare le tubazioni. In tal caso sarebbero costretti a cambiare
l''intero circuito di mandata. Sempre al fine di evitare tale inconveniente, dopo ogni
verticale di trattamento le tubazioni vengono pulite con un passaggio di acqua. Nel
passaggio da una verticale alla successiva, avviene l''estrazione a giorno della lame
miscelatrici, al fine di permetterne l''osservazione visiva e la pulizia (il tempo richiesto
per percorrere i 13m di acqua presenti è di circa 20 minuti, quindi tale procedura è
prevista a fasi alternate, una verticale si e una no, al fine di risparmiare tempo). Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 61 Sul fondo della POCM-12 sono presenti diversi compartimenti stagni per l''acqua, impiegati per bilanciare le varie forze causa di instabilità (vento, onde,
svuotamento/riempimento giornaliero di 300ton di cemento, inserimento/estrazione
delle aste miscelatrici) e quindi garantire la corretta verticalità della lavorazione. Nella
postazione di controllo sono presenti, oltre al monitor per l''andamento in diretta della
lavorazione (profondità e parametri operativi, Figura 2.34): monitor per il corretto
posizionamento GPS, controllo del tiro dei 6 ancoraggi, telecamere aste miscelatrici,
monitor per il controllo dei parametri dei serbatoi di bilanciamento e delle pompe. Figura 2.34 - Display operatore con andamento della lavorazione con il tempo. L''impianto di produzione della malta cementizia prevede due silos, ciascuno da 200ton di cemento, un agitatore (aggiunta di acqua marina e dell''agente chimico
fluidificante e ritardante), una vasca per la raccolta della malta cementizia (Volume =
4m 3) e 6 pompe (portata 400l/min), una per ogni ugello di emissione (Figura 2.35). Per il sito in esame sono impiegate 300ton/giorno di cemento. Nel caso in esame sono previsti 6 carotaggi a spot (1 ogni 10.000 m 3; campionatore di diametro 116mm; i 6 punti casuali di prelievo sono decisi dal cliente,
ma le prove sono comunque condotte dall''impresa) per prelevare campioni dalle
colonne di terreno trattato, sui quali effettuare prove di compressione a 28 giorni in
laboratorio. Per ciascuna verticale indagata saranno prelevati 2 campioni ogni 2m di
profondità. Figura 2.35 - Particolare silos, vasca di raccolta e tubazioni impiegati. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 62 2.7 Programma di ricerca internazionale sul Deep Mixing 2009 - 2015 ' attualmente in corso un programma di ricerca internazionale mirante alla standardizzazione delle procedure di controllo e assicurazione di qualità sui terreni
stabilizzati mediante Deep Mixing, ''International collaborative study on Deep Mixing
Method' coordinato dal Prof. Kitazume (Tokyo Institute of Technology, ex Port and
Airport Research Institute) e a cui partecipano tutti gli esperti nel settore Deep Mixing.
La ricerca è articolata in quattro Task, schematicamente riportati nel diagramma
sottostante, dai quali si vede come essa riguardi i diversi aspetti ampiamente illustrati
nel presente Capitolo. Diagramma schematico dell'attività di ricerca internazionale. Obiettivi principali del ''Task 1, Standardizzazione, regolamenti e linee guida', e del ''Task 2, Metodologie di prova in sito e in laboratorio', all''interno dei quali si
colloca il presente lavoro di tesi di dottorato, sono: provvedere alla redazione di
standard internazionali sulla progettazione, l''esecuzione e il controllo di qualità;
condurre un programma di prove di laboratorio comuni al fine di valutare l''effetto delle
procedure e condizioni di prova sulle proprietà dei terreni stabilizzati; eseguire e
comparare prove in sito e in laboratorio; stimare le proprietà meccaniche e durabilità in
sito mediante prove su miscele confezionate in laboratorio o a partire da campioni
prelevati in sito. Gli obiettivi del presente studio sperimentale di supporto alla ricerca
internazionale sono descritti in §3.1.1. Coordinator of Working Group Dr. Masaki Kitazume
Tokyo Institute of Technology, Japan
Chair, Deep Mixing 2015 Prof. George Filz
Virginia Tech., USA Coordination Committee S. Larsson (TG1), M. Kitazume
(TG2), G. Filz (TG3), A. Al-Tabbaa
(TG4), R. Massarshc, G. Holm, M.
Terashi, D. Bohem, M. Topolnicki Task 1
Standardization,
regulations
and guidelines

Chair: S. Larsson Task 2
Field and laboratory
testing methods




Chair: M. Kitazume Task 3
Design
and modeling of deep
mixing applications


Chair; G. Filz Task 4
Compilation
of database on deep
mixing, stabilization
and
remediation projects Chair: A. Al-Tabbaa Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 63 Un aspetto da considerare risulta essere la definizione e valutazione della ''lavorabilità' della miscela terreno-legante, ancora poco indagato, come specificato al
successivo paragrafo, in quanto si ritiene che tale proprietà abbia un''influenza
assolutamente decisiva nella scelta della tecnica di confezionamento per la realizzazione
dei provini. I risultati presentati nel precedente paragrafo § 2.2.2 sottolineano come la
tecnica di confezionamento influenzi fortemente le proprietà dei provini trattati: per la
stessa miscela, una diversa tecnica fornisce diversi risultati. L''idea alla base della
attuale ricerca, descritta in § 3.1, è che l''applicabilità di ogni tecnica di
confezionamento analizzata sia funzione della lavorabilità della miscela, e che quindi
ogni tecnica di confezionamento sia applicabile entro un certo range di lavorabilità. Un
contributo in tale direzione è fornito dallo sviluppo di una procedura per la misura della
lavorabilità della miscela terreno-legante, come descritto nel paragrafo 3.4.1. 2.7.1 Lavorabilità della miscela terreno-legante Una miscela terreno-legante è un materiale complesso, caratterizzato dalla presenza di particelle aventi un ampio range di dimensioni e proprietà variabili con il
tempo. Infatti può essere costituita da differenti tipi di terreno (da argille a ghiaie) e di
legante, aggiunto in forma asciutta o di malta. Una volta aggiunto il legante, avvengono
le reazioni che portano ad un indurimento della miscela con il tempo. La lavorabilità
può rappresentare varie caratteristiche relative alle miscele fresche, difficili da misurare
quantitativamente. In questo studio il termine ''Lavorabilità' viene assunto come ''la
proprietà delle miscele terreno-legante di essere miscelate in un contenitore e disposte
in uno stampo con facilità'. Una lavorabilità elevata è quindi caratteristica di miscele a
comportamento ''liquido', più semplici da miscelare e maneggiare, mentre una bassa
lavorabilità è associata a miscele compatte e viscose, come illustrato qualitativamente in
Figura 2.36. Figura 2.36 - Concetto qualitativo di lavorabilità. La lavorabilità può essere collegata al termine di ''consistenza' (espresso ad esempio dai limiti di Atterberg) solo se si considerano miscele realizzate a partire da
terreni coesivi. I metodi utilizzati finora per la valutazione della lavorabilità delle
miscele danno qualche indicazione utile ma non possono essere considerati totalmente
soddisfacenti. Per la valutazione della lavorabilità delle miscele terreno-legante sono stati usati nelle esperienze passate parecchie metodologie, come descritto nel prosieguo; tuttavia,
per diverse ragioni, nessuno dei metodi impiegati è risultato essere pienamente
soddisfacente, pur fornendo utili indicazioni per l''individuazione del metodo presentato
in § 3.3. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 64 1) prova Hand Vane: Tale metodo è stato impiegato per la caratterizzazione delle miscele ottenute a partire dalla Kawasaki clay (§ 3.1). L''Hand vane (Figura 2.37)
viene generalmente utilizzato per terreni coesivi e fornisce indicazioni riguardo la
resistenza al taglio in condizioni non drenate cu, che può essere usata per la valutazione
della consistenza del terreno (ASTM D2573-08). Il dispositivo consiste in due palette
montate perpendicolarmente l''una con l''altra all''estremità di un''asta cilindrica, solidale
con una molla per la misura della coppia necessaria alla rotazione. Il test viene eseguito
dopo la fase di miscelazione del terreno con il legante, a miscela omogeneizzata. Il
dispositivo (diametro 20 mm) viene infisso nella miscela che si trova all''interno di una
ciotola e si da inizio alla misurazione; viene misurato il momento torcente che è
collegato alla consistenza della miscela. La misura è afflitta da errore umano (verticalità
delle palette, velocità di rotazione non uniforme), così vengono effettuate 3÷5
misurazioni per ogni miscela in differenti punti della ciotola. ' un metodo rapido,
semplice ed economico; tuttavia è un metodo statico, non dinamico, perciò risulta
influenzato dalla tixotropia delle miscele terreno-legante. ' stato osservato che,
specialmente per miscele più consistenti, il materiale nella ciotola poteva essere
costituito da grumi o presentare grandi vuoti, quindi non era possibile ottenere risultati
significativi se non compattandolo in qualche modo. Perfino in questo caso viene quindi
evidenziata la necessità di compattare il materiale con il già ricordato problema della
scelta di una appropriata tecnica di confezionamento, che può essere funzione della
lavorabilità della miscela. Nello studio sperimentale al fine di avere risultati comparabili
per tutte le misure è stato deciso di compattare il materiale nel contenitore facendo del
Tapping (10 colpi) sul piano di lavoro e livellando la superficie con una spatola. Figura 2.37 - Hand vane e Laboratory vane impiegati nello studio sperimentale. 2) prova Laboratory Vane: Tale metodo è stato impiegato sulle miscele realizzate a partire dai terreni dell''area romana (§ 3.3), Figura 2.37. L''apparecchiatura è
dotata di un''asta con quattro alette alle estremità poste a croce, del tutto analoga a
quella dell''Hand Vane pertanto presenta vantaggi e svantaggi simili, ma le
caratteristiche della strumentazione riducono l''errore umano aumentando il grado di
affidabilità della misura (ASTM D4648-00). Mediante una vite collegata ad una
manopola si può regolare l''altezza dell''asta, che viene fatta calare all''interno della
scodella metallica, e quindi viene infissa nella miscela. Dopodiché facendo ruotare con
velocità costante un''altra manopola posta nella parte posteriore dello strumento si fa
ruotare l''asticella con le alette che taglia il cilindro di materiale corrispondente; si va a
misurare così lo spostamento angolare compiuto dalle lame. Lo spostamento angolare
(°) moltiplicato per la costante della molla (0,174) fornisce direttamente il valore di cu in
kPa. Nello studio sperimentale, tale prova è stata applicata anche a terreni a carattere Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 65 granulare al fine di avere un''idea della lavorabilità, con la consapevolezza dei limiti di
tale misurazione. Per alcune misure è stato osservato che le letture erano influenzate
dalla presenza di particelle sabbiose e ghiaiose, in funzione della dimensione relativa tra
le alette dell''asta e la dimensione dei grani. 3) prova cono svedese: la prova con il cono svedese (Fall Cone) viene generalmente utilizzata per determinare il limite di liquidità di un terreno coesivo saturo
(Sherwood e Ryley, 1970). L''impiego positivo di tale metodo per valutare la
consistenza di miscele terreno argilloso-cemento è riportato da Marzano et al.(2009)
(Figura 2.38). ' stato osservato come le misurazioni fossero invece pesantemente
influenzate dalla presenza di particelle sabbiose e ghiaiose. Il test è rapido, semplice ed
economico. Il campione da testare necessita di essere compattato attraverso l''uso di una
spatola, rivelando simili problemi di confezionamento a quelli descritti per l''Hand vane. Figura 2.38 - Misurazione mediante cono svedese. 4) Cono di Marsh: Il test con il cono di Marsh (ASTM 6910) viene generalmente usato per la misura della reologia di paste e malte cementizie. L''apparecchiatura è
composta da un imbuto con un lungo collo che ha un''apertura di 5 mm. Una base tiene
lo strumento in piedi al di sopra di un contenitore cilindrico graduato di vetro (Figura
2.39). Dopodiché 1 litro di pasta cementizia viene messa nel cono; il foro alla base del
collo è aperto. Viene misurato il tempo che il volume di malta cementizia impiega per
defluire fuori dal foro di uscita dell''imbuto. Il test è semplice da usare, rapido e molto
economico. Tale metodo non è utilizzabile per tutte le miscele, in quanto eventuali
particelle sabbiose e ghiaiose intaserebbero l''imbuto e non fluirebbero con continuità
dal foro di uscita; esso può essere utilizzato soltanto per miscele altamente lavorabili e
formate con terreni coesivi (a grana fine). Una possibile soluzione potrebbe essere
quella di aumentare la dimensione del foro di uscita dall''imbuto. Inoltre per miscele
terreno-cemento c''è anche il problema per cui il materiale non può essere facilmente
recuperato dall''interno del cono: ciò può implicare modifiche nella composizione della
miscela, ad esempio con la perdita di frazione fine che non verrebbe coinvolta nel
confezionamento dei provini di terreno stabilizzato. Quindi l''applicazione di tale
metodo per valutare la lavorabilità può comportare perdite di materiale significative. 5) cono di Abrams: il test con il cono di Abrams è la prova più conosciuta ed ampiamente usata per la valutazione della lavorabilità del calcestruzzo fresco (ASTM
C143). ' una prova semplice e robusta. L''apparecchiatura consiste in uno stampo a
forma di tronco di cono; lo stampo viene riempito con tre successivi strati di
calcestruzzo di volume uguale, ognuno dei quali viene compattato tramite i colpi di un
asta metallica. Lo stampo viene poi sollevato verticalmente verso l''alto, e viene Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 66 misurata la variazione di altezza della forma di calcestruzzo (Figura 2.39).
Generalmente la prova viene effettuata direttamente in cantiere. Se effettuata per
miscele terreno-legante, la prova può presenta le stesse problematiche di
confezionamento rilevate per l''Hand Vane e il cono svedese, dato che le modalità di
riempimento del cono influenzano i risultati. Se venisse effettuato in laboratorio il
consumo di materiale sarebbe eccessivo (non potrebbe essere riutilizzato); inoltre le
miscele molto lavorabili non sarebbero facilmente misurabili. Figura 2.39 - Misurazioni mediante cono di Marsh e cono di Abrams. 6) Altri metodi: Ammettendo una somiglianza di base tra le miscele terreno- legante ed il calcestruzzo fresco, è stata effettuata una ricerca bibliografica che ha
portato all''individuazione dei 61 metodi esistenti (tra cui il cono di Abrams) di
valutazione della lavorabilità del calcestruzzo (Koehler & Fowler, 2003), utile per
ottenere informazioni per la definizione di nuove metodologie per la valutazione della
lavorabilità di miscele terreno-legante. ' da notare come pur essendo il calcestruzzo un
materiale ben noto nelle applicazioni ingegneristiche, non esistano metodi validi per una
misura quantitativa della sua lavorabilità, spesso stimata mediante semplici metodi
empirici. L''approccio più promettente sembra essere comunque quello dei reometri
rotazionali relativi, come il dispositivo ''Tattersall Two-Point' (Tattersall and Banfill,
1983) ed il reometro ''IBB' (Beaupre and Mindness 1994), mostrati in Figura 2.40. Tali
dispositivi possono essere usati per misurare parametri connessi ma non generalmente
uguali ai parametri reologici. A differenza di reometri tradizionali, dove la variazione
della deformazione di taglio è del tutto nota, una sua misurazione intorno alla lama di
miscelazione è molto complessa e fondamentalmente impossibile da valutare
analiticamente. Secondo Schramm (1994), la resistenza offerta dal campione che viene
mescolato è funzione della viscosità dello stesso. Tattersall e Banfill (1983) hanno
misurato la coppia torcente necessaria per girare la lama miscelatrice nel calcestruzzo,
sviluppando un ordinario mixer da cucina attrezzato con un gancio per agitare il
materiale, connesso a sua volta con un dinamometro. Il reometro IBB presenta delle
modifiche, principalmente legate alle maggiori dimensioni e alla possibilità di
misurazione digitale della velocità di miscelazione e della resistenza opposta alla
rotazione della lama miscelatrice a forma di H, che ruota in movimento planetario e
assiale. Nelle sue dimensioni attuali lo strumento è troppo grande per un uso in sito. Capitolo 2 - Studio internazionale sulle procedure di QC/QA __________________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 67 Figura 2.40 - Strumento Tattersall Two-Point e Reometro IBB. Per quanto detto in questo paragrafo, appare evidente la necessità di trovare un metodo per la valutazione della lavorabilità delle miscele che possa essere usato con
efficienza per diversi tipi di miscela (dalle liquide alle più viscose, di composizione
coesiva o granulare), con lo scopo di definire il range di lavorabilità in cui ciascuna
tecnica di confezionamento risulti essere applicabile. Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 3. STUDIO SPERIMENTALE, OBIETTIVI E MATERIALI Lo studio sperimentale effettuato può essere schematicamente suddiviso in quattro parti principali che si distinguono essenzialmente per gli obiettivi preposti, per i
materiali utilizzati e per i luoghi in cui si sono svolte. La prima parte dello studio è stata eseguita presso il Port and Airport Research Institute (PARI), Tokyo, Giappone (Ottobre 2010 - Marzo 2011). Il lavoro svolto in una
prima fase temporale è stato condotto presso il Soil Stabilisation Group, direttamente
impegnato in diversi ambiti di ricerca sulla tecnologia del Deep Mixing, ed è parte del
programma di ricerca internazionale sulla standardizzazione delle procedure di
miscelazione in laboratorio (§ 2.7). Lo studio mira a definire l''applicabilità di diverse
tecniche di confezionamento dei provini stabilizzati che vanno poi sottoposti alle prove
di laboratorio, largamente impiegate nelle diverse fasi di un intervento di Deep Mixing. ' stato inoltre possibile instaurare una collaborazione con il Foundation Group (PARI), per uno studio sull''utilizzo di nuovi materiali in ingegneria geotecnica
ambientale, nello specifico sull''impiego di ''Tire chips' (granulato di copertone) come
additivo a miscele terreno-cemento al fine di aumentarne la duttilità, evitando il
comportamento fragile. Scopo dello studio è stato quello di indagare l''effetto
dell''aggiunta di tire chips sulle proprietà meccaniche di una miscela terreno-cemento,
da impiegare nella realizzazione di una barriera impermeabile, al fine di valutarne il
mantenimento dell''efficienza prestazionale in presenza di elevate deformazioni. Una terza parte dello studio sperimentale è stata svolta presso il laboratorio di Geotecnica del Dipartimento di Ingegneria Edile e Ambientale (DICEA) della Sapienza,
Università di Roma. Questa fase ha avuto come obiettivo l''estensione e la validazione
dei risultati ottenuti nella precedente esperienza presso il PARI verso la
standardizzazione delle procedure di laboratorio per differenti tipologie di terreno e
lavorabilità della miscela terreno legante, quest''ultima proprietà valutata mediante una
innovativa procedura di misura. ' stato inoltre possibile instaurare una collaborazione con l''Università di Padova e la Bauer Group per uno studio relativo ad un campo prova di Cutter Soil Mixing in
Zandvoort (Olanda). A partire dai dati di produzione dei pannelli di prova sono stati
correlati i parametri di miscelazione in sito e in laboratorio ed eseguite prove
meccaniche e fisiche su provini di miscela terreno-legante realizzati in laboratorio
seguendo il medesimo mix design. 3.1 Attività presso il ''Soil Stabilisation group' (PARI, Giappone) 3.1.1 Obiettivo dello studio sperimentale Uno degli obiettivi dello ''International collaborative study on Deep Mixing Method' (§ 2.7) è quello di definire e quantificare il range di applicabilità delle diverse
tecniche di confezionamento dei provini di miscela terreno-legante da sottoporre alle
prove di laboratorio, largamente impiegate nelle diverse fasi di un intervento di Deep Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 70 Mixing. Fondamentale è il ruolo giocato dalla ''lavorabilità' della miscela, definita in §
2.7.1. La proprietà della ''applicabilità' non è definita con riguardo alla tecnica di confezionamento dei provini che fornisca la massima corrispondenza con le condizioni
in sito, bensì con la tecnica che possa produrre i provini ''migliori' (sulla definizione di
tale proprietà è lasciata libera scelta alle organizzazioni partecipanti allo studio
internazionale) che rappresentino quindi un estremo superiore ottenibile, utile per
realizzare correlazioni tra sito e laboratorio del tipo riportate in § 1.7.1. Nel presente studio sono stati considerati ''migliori' i provini realizzati con una specifica tecnica di confezionamento che presentassero il maggior grado di omogeneità
e quindi le migliori caratteristiche fisiche e meccaniche rispetto ai provini realizzati con
altre tecniche di confezionamento per la stessa miscela. Inoltre è stata considerata
applicabile la tecnica che potesse garantire una maggiore ripetibilità dei risultati ad essa
associati (§ 5.1 e 5.3). Idea alla base del ''Test series 1' dello studio è che quando la lavorabilità della miscela terreno-legante al momento del confezionamento del provino è alta (liquida o
facilmente liquefacibile attraverso scuotimento/vibrazioni) per la realizzazione dei
provini siano applicabili tutte le tecniche disponibili; quando invece la lavorabilità
risulta bassa (miscela plastica e più consistente) debbano essere utilizzate specifiche
tecniche di confezionamento, in grado di garantire una maggiore energia di
compattazione. Per giustificare tali ipotesi è necessario eseguire una serie di prove da
parte delle organizzazioni partecipanti alla ricerca internazionale. Sono due gli approcci proposti per il Test series 1, come illustrato in maniera qualitativa in Figura 3.1, che prevedono l''impiego di cinque tecniche di
confezionamento (Nessuna compattazione, Tapping, Rodding, Compattazione Statica e
Dinamica, § 4.4): a) valutazione del range di applicabilità della specifica tecnica di confezionamento variando la lavorabilità della miscela: tale approccio prevede la
realizzazione di almeno 3 miscele a diversa lavorabilità ottenute variando il contenuto
d''acqua o di legante a partire da una miscela terreno-legante di base. I relativi provini
realizzati mediante una specifica tecnica di confezionamento sono poi sottoposti a prove
di compressione ELL a 7 e 28 giorni. b) valutazione comparativa dell''applicabilità delle varie tecniche di confezionamento per la stessa lavorabilità della miscela: tale approccio prevede
l''impiego di almeno due tecniche di confezionamento per realizzare dei provini a partire
da una medesima miscela terreno-legante di base. Tali provini sono poi sottoposti a
prove di compressione ELL a 7 e 28 giorni. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 71 Figura 3.1 - Schema dei due tipi di approccio allo studio per il Test series 1. In Figura 3.2 è riportato uno schema qualitativo relativo al programma delle prove di laboratorio proposto ai diversi partecipanti al Test series 1. In particolare nel lavoro svolto presso il Soil Stabilisation Group è stato possibile seguire entrambi gli approcci proposti dalla ricerca internazionale e arrivare
alla definizione della ''applicabilità' di una tecnica di confezionamento. A tal fine sono
state testate nove miscele a diversa consistenza applicando tutte le cinque tecniche di
confezionamento dei provini. I risultati preliminari ottenuti sono stati successivamente
integrati con quelli relativi allo studio sperimentale sui sette terreni dell''area romana (§
3.3), che ha anche portato alla messa a punto di un metodo per la valutazione
quantitativa della lavorabilità, utile all''interpretazione dei risultati complessivamente
ricavati. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 72 Figura 3.2 - Lista dei partecipanti e programma delle prove di laboratorio (Test Series 1). 3.1.2 Materiali e programma delle prove di laboratorio Per la realizzazione delle miscele terrreno-legante sono stati impiegati l''argilla ''Kawasaki clay' (KC), terreno prelevato della baia di Tokyo le cui proprietà sono
illustrate in Tabella 3.1 (Takahashi et al., 2010) e cemento tipo Portland in polvere,
addizionato asciutto (w/c = 0). Continente Europa Asia Paese Germania Austria Portogal o Italia&Giappone Svezia Malesia Cina Istituzione Bauer Keller Univ. Cohimbra Sapienza, Univ. Roma & Port and Airport Research Institute Swedish Geotechnical Institute Univ. Tun Hussein Onn - Persone Franz '' Werner Gerresen C. Signmund & A. Zöhrer P. da Venda Oliveira & A. Alberto Correia M. Grisolia, E.Leder, I.P. Marzano & M. Kitazume, Y. Morikawa Helen 'hnberg & Mattias Andersson Chee-Ming Chan & Bee-Lin Tang Yan-Jun Du Tipi di terreno da testare Torba X Gittya Argilla naturale X X X Argilla artificiale Altro X X (Limo, Sabbia e Ghiaia) X (terreno soffice organico limoso argilloso) X (7 terreni reali di natura alluvionale e piroclastica) X (Argilla organica) Condizione di stoccaggio dei terreni Contenuto naturale
d''acqua X X X X X X Altro X (in contenitori ermetici) X (in contenitori ermetici, T = 25°) Tipo di legante Calce Miscela calce- cemento X (ca. 20%) X Cemento Portland X X X X ceneri volanti e cemento X (ca. 10%) Altro X X (P.C./scorie (3:1)) Approccio e tecniche di confezionamento (a) variazione lavorabilità X X X X X X X (b) variazione tecnica X X X (a) variazione lavorabilità del a miscela terreno-legante, mantenendo costante la tecnica di confezionamento. Tecnica usata: Dynamic Compaction X Static Compaction X X X X Tapping X X X (+ Rodding) X Rodding X No Compaction X X X X X (b) variazione del a tecnica di confezionamento mantenendo costante la lavorabilità del a miscela. Tecniche usate: Dynamic Compaction X Static Compaction X X Tapping X X Rodding X X No Compaction X X Tempo di maturazione 7 giorni X (8%) X X X 28 giorni X (90%) X X X X X 91 giorni X (2%) X Altro X X (<1%) X (14 giorni) Resistenza target a 28 giorni 100kPa
500kPa X X 2Mpa Altro X X (1 ÷ 8 MPa) X X (200 ÷ 300 kPa) X Numero dei provini confezionati per ciascuna condizione 5 provini X X X Altro X X (3 provini) X (3 provini) X (3 provini) X Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 73 Tabella 3.1 - Proprietà della Kawasaki clay. Contenuto naturale d''acqua wn (%): 57,0 Limite Liquido wL (%): 48,6 Limite plastico wP (%): 23,0 Contenuto sabbia (%), 75µm '' 2mm: 14,0 Contenuto limo (%), 5µm '' 75µm: 42,0 Contenuto argilla (%), <5µm: 44,0 Sono state confezionate nove miscele terreno-cemento a diversa lavorabilità, variando il contenuto d''acqua del terreno e il contenuto di cemento impiegato, ac(%)
(rapporto del peso del cemento secco rispetto al peso del terreno asciutto) seguendo la
procedura descritta al § 4. Le caratteristiche delle miscele sono riportate in Tabella 3.2.
La consistenza di ciascuna miscela è stata valutata prima della fase di realizzazione dei
provini mediante l''hand vane (§ 2.7.1), misurando quindi la resistenza al taglio in
condizioni non drenate, cu (kPa) (Figura 4.13). I valori di resistenza ottenuti per le
miscele fresche sono in un ampio range, di 3÷29kPa. Le miscele ottenute sono state
suddivise in tre gruppi, in base alla consistenza iniziale. In tabella è presente anche il
rapporto cemento su acqua della miscela, C/Mw (%) (rapporto del peso del cemento
secco rispetto al peso dell''acqua totale della miscela). In accordo alla procedura descritta al § 4, la fase di preparazione dei materiali ha previsto l''aggiustamento del contenuto d''acqua dell''argilla, l''omogeneizzazione del
terreno nel miscelatore e la successiva aggiunta di cemento Portland secco. Il materiale
è stato poi miscelato per il tempo standard di 10 minuti. La resistenza a taglio non
drenata e il contenuto d''acqua della miscela sono stati determinati prima di iniziare la
fase di confezionamento dei provini. L''argilla stabilizzata era disposta in tre strati
all''interno dello stampo cilindrico (50mm di diametro e 100mm di altezza) per tutte le
tecniche impiegate. Tabella 3.2 - Caratteristiche delle miscele testate presso il PARI. Gruppo Miscela Contenuto cemento, ac (%) Contenuto acqua, wn (%) Resistenza a taglio, cu (kPa) Cemento/acqua totale, C/Mw (%) A (cu: 3-10kPa) m1 5 72 3.01 7.10 m2 5 66 5.79 7.69 m3 5 60 7.46 8.63 B (cu: 10-20kPa) m4 20 60 13.15 36.18 m5 30 60 15.49 53.36 m6 20 54 18.84 38.79 C (cu: 20-30kPa) m7 30 54 21.75 57.21 m8 20 49 24.76 42.43 m9 30 49 28.54 63.92 Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 74 Le tecniche di confezionamento adottate, riportate in dettaglio al § 4.4, sono (Figura 3.3): - Nessuna Compattazione, N.C.: semplicemente è consistita nel riempire lo stampo versando la miscela (se a comportamento liquido) o tramite l''utilizzo di una
spatola in caso di più elevata consistenza; - Tapping, TA.: In seguito alla disposizione di ciascuno strato, lo stampo veniva battuto contro il piano di lavoro per 50 volte. - Rodding, RO.: Ogni strato è stato compattato con trenta movimenti verticali punzonanti di un''asta cilindrica di metallo. - Compattazione Statica, S.C.( S.C.25 e S.C.50): Consistente in una compressione statica impressa da un cilindro metallico applicato per un tempo di 10 secondi.
Sono state applicate due diverse pressioni: 25 e 50 kPa. (Mediante la tecnica
S.C.50 sono stati confezionati provini da testare solo a 28 giorni) - Compattazione Dinamica, D.C.: Ha previsto la compattazione di ciascuno strato mediante una massa battente di 1,5kg utilizzando un apposito apparato. L''altezza
di caduta è stata di 10cm, il numero di battute è stato pari a 5. Figura 3.3 - Tecniche di confezionamento, da sinistra: N.C., TA., RO., S.C.25, S.C.50, D.C. Relativamente all''impiego delle tecniche D.C. ed S.C. in presenza di miscele più lavorabili (poco consistenti) sono stati riscontrati un intrappolamento del dispositivo
usato per la compattazione, una fuoriuscita della miscela dallo stampo e presenza di
vuoti intorno al provino. La tecnica TA. ha rilevato alcuni problemi in presenza di
miscele maggiormente consistenti. L''impiego della tecnica RO. ha portato in alcune
condizioni al sollevamento del materiale all''interno dello stampo in fase di estrazione
dell''asta al termine della compattazione. L''applicazione della tecnica N.C. ha
evidenziato le maggiori problematiche ad eccezione della sua applicazione in miscele
più ''liquide' (§ 4.4.5). I provini ottenuti sono stati inseriti all''interno di cassette di maturazione e mantenuti in condizioni di temperatura 20°C e umidità relativa 95%. In seguito al tempo
di maturazione fissato pari a 7 e 28 giorni il generico provino è stato estratto dallo
stampo, misurato e pesato (§ 3.5). Mediante la tecnica S.C.50 sono stati confezionati
provini da testare solo a 28 giorni, mancano quindi i dati relativi a 7 giorni di
maturazione. In laboratorio sono stati confezionati circa 400 provini, sui quali sono state
condotte prove di compressione ELL. Per ciascun caso di prova sono stati prodotti e
testati tre provini. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 75 3.2 Attività presso il ''Foundation group' (PARI, Giappone) 3.2.1 Obiettivo dello studio sperimentale ' attualmente in fase di studio l''impiego del granulato di gomma, denominato ''tire chips' (realizzato separando automaticamente la gomma del copertone dal ferro e
dalla fibra tessile in modo da formare un prodotto finale di gomma caratterizzato da
opportune granulometrie) per applicazioni di ingegneria civile (Humprey, 2003;
Yasuhara, 2007). Scopo dello studio condotto presso il Foundation Group è stato quello
di indagare l''effetto dell''aggiunta di tire chips sulle proprietà fisiche e meccaniche di
una miscela terreno cemento, da impiegare nella realizzazione di una barriera
impermeabile (§ 1.4.1), al fine di valutarne il mantenimento dell''efficienza
prestazionale in presenza di elevate deformazioni. ' stato anche possibile impiegare un
Micro-Focus X-ray Computed Tomography (CT) scanner per eseguire delle tomografie
ai raggi X dei provini di miscela testati. 3.2.2 Materiali e programma delle prove di laboratorio Il terreno studiato è una Sabbia argillosa artificiale, caratterizzata da un contenuto d''acqua del 16% e costituita dal 64% di Sabbia ''Soma sand', 27% di Argilla
''Kawasaki clay' e 9% di Ghiaia. Le caratteristiche dei materiali impiegati sono
riportate in Tabella 3.3. Le tire chips impiegate (Figura 3.4) sono caratterizzate da una
dimensione media di 2mm, densità 1,15 g/cm 3, Modulo di Elasticità E = 4-6 MPa (Yajima & Kobayashi, 2008). Tabella 3.3 - Caratteristiche dei materiali impiegati. Kawasaki clay wn (%) wL (%) wP (%) 75µm - 2mm 5µm - 75µm < 5µm 57 48,6 23 14 42 44 Soma Sand D60 (mm) D50 (mm) D10 (mm) Uc = D60/D10 Ghiaia 2,5mm - 5mm 0,37 0,35 0,25 1,5 100 Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 76 Figura 3.4 - Elementi costituenti il terreno artificiale e tire chips impiegati. Le caratteristiche delle tre miscele ottenute sono riportate in Tabella 3.4. Sono stati impiegati tre diversi tenori di tire chips, pari a 0, 10 e 20% del peso secco del
terreno additivati alla medesima miscela terreno-cemento di partenza. Come legante è
stato impiegato cemento tipo Portland, additivato al 10% rispetto al peso secco del
terreno e miscelato con acqua in rapporto 1:1 fino ad ottenere una miscela omogenea.
La malta cementizia così ottenuta è stata successivamente aggiunta ai campioni di
terreno insieme alla dose di tire chips prevista, ed è stata condotta la miscelazione per il
tempo standard di 10 minuti utilizzando un idoneo mixer, tipo Hobart (seguendo la
procedura riportata al § 4) (Figura 3.5). Tabella 3.4 - Composizione delle miscele studiate (percentuale in peso). Miscela Argilla [%] Limo [%] Sabbia [%] Ghiaia [%] Acqua [%] Cemento [%] Tire chips [%] M-I, tc = 0 8,61 8,36 48,97 6,52 20,29 7,25 0,00 M-II, tc = 10% 8,14 7,90 46,29 6,16 17,81 6,85 6,85 M-III, tc = 20% 7,62 7,39 43,32 5,77 16,67 6,41 12,82
La miscela ottenuta è stata disposta in appositi stampi cilindrici di diametro 5 cm e altezza 10 cm in tre strati compattati mediante la tecnica di confezionamento Tapping
(§ 4.4). I provini ottenuti sono stati infine inseriti all''interno di cassette di maturazione e
mantenuti in condizioni di temperatura 20°C e umidità relativa 95% ed estratti dagli
stampi in corrispondenza del tempo di maturazione previsto (Figura 3.5). In corrispondenza dei tempi di maturazione 7 e 28 giorni, sono state eseguite prove di conducibilità idraulica e scansioni ai raggi X mediante CT-scan (solo a 28
giorni di maturazione) durante i diversi step di carico di un processo di compressione
ELL, utilizzando apposita apparecchiatura triassiale (Figura 3.6), seguendo le procedure
descritte in § 3.5.2. Le prove di permeabilità sono state condotte impiegando una
pressione di cella pari a 40kPa e una pressione di flusso dal basso verso l''alto pari a 20
kPa. In seguito all''esecuzione della scansione ai raggi X e della prova di permeabilità, si
provvedeva all''annullamento della pressione di cella ed alla applicazione del successivo
gradino di carico previsto per la prova di compressione. Tale procedura veniva ripetuta
fino al raggiungimento di una resistenza post-picco pari ai 2/3 di quella massima (JIS
1216). Le caratteristiche del CT-scan impiegato sono sinteticamente riportate in Tabella 3.5 e descritte in dettaglio in Kikuchi et al. (2007). Sono state condotte prove di 0 20 40 60 80 100 0.01 0.1 1 10 p a s s a n te (% ) diametro (mm) tire chips Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 77 compressione ELL di confronto su ulteriori sei provini per tipo di miscela (a 7 e 28
giorni). Figura 3.5 - Fasi di confezionamento dei provini di miscela terreno-cemento-tire chips (aggiunta di tire chips, aggiunta malta cementizia e confezionamento mediante Tapping) e serie di provini per le prove di permeabilità in fase di compressione testati a 7 e 28 giorni. Tabella 3.5 - Caratteristiche CT scanner. Tipo Unità X-ray Voltaggio 30-225kV Corrente 10-1000µA Massimo output 135W Minimo focus 4µm Angolo irradiazione X-ray 60° in forma conica provino Dimensioni massime Φ250 x h800mm Peso massimo 600N Apparecchio X-ray Dimensioni 2150 x 1310 x 2400mm Peso 45100N Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 78 Figura 3.6 - CT scanner raggi X, pannello, cella triassiale e pressa impiegati. 3.3 Attività presso il DICEA - Sapienza Università di Roma 3.3.1 Obiettivo dello studio sperimentale Presso il laboratorio di Geotecnica del Dipartimento di Ingegneria Civile Edile e Ambientale (DICEA) della Università di Roma Sapienza sono state condotte una serie
di prove su ventuno miscele terreno-legante realizzate a partire da sette terreni reali
tipici della realtà Romana per la validazione e l''estensione dei risultati ottenuti sulle
miscele a base di Kawasaki clay studiate nel corso della prima fase, al fine di
considerare l''effetto di diversi tipi di terreno e lavorabilità della miscela. ' stata prima sperimentata una innovativa procedura per la misura della lavorabilità della miscela terreno-legante. La nuova procedura doveva presentare le
seguenti caratteristiche, individuate sulla base delle indicazioni ottenute dalle esperienze
passate e dalla ricerca bibliografica (§ 2.7.1): ' Ampio range di misura della lavorabilità; ' Nessuna restrizione per quanto riguarda la dimensione delle particelle di terreno; ' Ripetitività della misurazione e minima dipendenza dall''operatore; ' Breve durata della prova e costo contenuto;
' Minimo consumo di materiale ma campione rappresentativo; ' Semplicità del test, senza la necessità di calcoli eccessivamente complessi; ' Numero minimo di persone impegnate nell''esecuzione: possibilmente il test andrebbe eseguito da un solo operatore; ' Possibile adattabilità al cantiere (confezionamento di provini di miscela fresca in sito), quindi per esempio dimensioni e peso contenuti. La procedura per la valutazione della lavorabilità della miscela, descritta in dettaglio in § 4, si è dimostrata fondamentale per l''interpretazione dei risultati ottenuti
nello studio sperimentale. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 79 3.3.2 Materiali e programma delle prove di laboratorio Per ottenere una misura della lavorabilità delle miscele terreno-legante analizzate nello studio sperimentale, si è pensato di misurare il Momento torcente (Mt)
necessario per ruotare la lama del miscelatore a contatto con la generica miscela
all''interno della ciotola di miscelazione. Lo scopo finale è ottenere dei valori di
riferimento della coppia torcente che siano indicatori del range di applicabilità per ogni
tecnica di confezionamento analizzata. ' stato impiegato un dispositivo coppia-angolo
USAG 814A 200 (dati tecnici in Tabella 3.6), applicato direttamente sullo stesso mixer
da cucina utilizzato nei test di miscelazione per la produzione di provini di terreno
stabilizzato con legante (Figura 3.7). Le modalità di esecuzione della misura sono
descritte in dettaglio in § 4. Tabella 3.6 - Dati tecnici dispositivo di misura del momento torcente. Precisione coppia Scala di misura Attacco bussola Range di misurazione Unità di misura Temperatura di utilizzo Drop test ±4% 0,1N·m 1/2' Fino a 200N·m N·m; kg·cm; ft·lb; in·lb; ° -10° ' 60° 1m Figura 3.7 - Dispositivo coppia-angolo USAG e collegamento al miscelatore. Questo metodo ha il vantaggio di fornire la possibilità di misurare la lavorabilità della miscela mentre si trova ancora nel contenitore del mixer, eliminando tutti i
problemi di confezionamento discussi al § 2.7.1 e garantendo un consumo di materiale
pari a zero. Dal momento che il miscelatore presenta movimenti planetari, la misura
viene fatta continuamente sull''intera miscela (massima rappresentatività del campione)
e quindi fornisce risultati affidabili. Inoltre è un metodo rapido, visto che è richiesto
circa 1 minuto. Il test è pensato per essere effettuato subito dopo la completa
omogeneizzazione del terreno con il legante allo scopo di valutare la lavorabilità della
miscela appena prima della fase di confezionamento negli stampi e quindi fornire
indicazioni riguardo la tecnica di confezionamento applicabile per quella miscela. Sulla base del metodo proposto la lavorabilità viene quindi espressa come Momento torcente (Mt) applicato ad un certo quantitativo di miscela (Vm), con una
fissata forma della lama miscelatrice (Sh) e velocità di rotazione (Rs). Una volta tarata la procedura di misura della lavorabilità, sono state condotte una serie di prove su miscele terreno-legante realizzate a partire da sette terreni reali tipici
della realtà Romana. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 80 L''area romana è caratterizzata da una particolare eterogeneità legata alle più recenti fasi geologiche che hanno creato ambienti di sedimentazione molto vari. Fino a
circa un milione di anni fa, l'area era in gran parte sommersa dal mare, situazione che
favoriva l''accumulo di sedimenti sul fondo del bacino in zone che sono
successivamente emerse. Da questi sedimenti deposti in ambiente marino si è formata
l''Unità del Monte Vaticano che consiste in un grosso e continuo strato di quasi 800 m di
spessore di Argille che rappresentano il substrato di riferimento romano. Nel
Pleistocene inferiore il livello del mare è andato progressivamente diminuendo, con il
conseguente allontanamento ed innalzamento della foce del Paleo-Tevere. Il fiume ha
scavato profondamente i sedimenti marini accumulatisi nella fase precedente, creandosi
un alveo molto più ampio e profondo di quello attuale. Nello stesso tempo, sull'ampia
zona liberata dalla regressione marina si depositavano sedimenti di tipo continentale. I
sedimenti depositati in un mare che diventava sempre meno profondo, per il progressivo
diminuire della quantità d'acqua nei bacini nei periodi glaciali, o all'interno di zone
paludose oppure su nuove porzioni di terre emerse sono di due differenti tipi e daranno
origine a altrettante formazioni. I primi sono sabbie e argille che costituiscono l'Unità di
Monte Mario, i secondi sono argille che formano l'Unità di Monte delle Piche. Le due
Unità sono separate da un deposito di tipo continentale che testimonia una temporanea
emersione dell'area (Unità di Monte Ciocci). A partire da 800.000 anni fa l'area romana
è interessata principalmente da sedimentazione di tipo fluviale e palustre. Un grosso
fiume, il Paleo-Tevere, trasporta e sedimenta grandi quantità di materiali erosi dalla
catena appenninica. Intorno a 600.000 anni fa ha inizio l'attività vulcanica dei due
distretti vulcanici dell'area romana (Sabatini a Nord-Ovest e Colli Albani a Sud-Est), i
cui prodotti si distribuiscono nella piana, alterandone profondamente la morfologia e
causando variazioni nel percorso del Paleo-Tevere. Una grande quantità di materiale
vulcanico, spesso incoerente e facile da erodere, viene trasportata e sedimentata dalla
corrente. Durante l'ultima glaciazione (Wurm, circa 18.000 anni fa) l'alveo del Tevere si
approfondisce nell'area della odierna città di Roma fino a 50 m sotto il livello del mare.
Questo ampio e profondo solco rappresenta il contenitore al cui interno si depositeranno
tutti i materiali delle alluvioni nel successivo periodo interglaciale. La forma
pianeggiante derivante dal riempimento dell'antico alveo rappresenterà in epoca storica
la zona di massimo sviluppo della città (Figura 3.8). Figura 3.8 - Area romana prima degli insediamenti umani. Dalla pur breve descrizione riportata relativa al caso romano, si capisce la difficoltà nella progettazione di un intervento Deep Mixing che vada ad interessare dei Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 81 contesti reali spesso eterogenei, caratterizzati dalla presenza di terreni stratificati di
caratteristiche fisiche e meccaniche anche molto diverse. Nello studio sperimentale sono
stati impiegati sette terreni, in particolare quattro provenienti dalla zona di Malagrotta,
situata ad Ovest del comune di Roma (Figura 3.9), mentre i restanti tre di origine
vulcanica provengono dall''area Est della città, dai cantieri delle stazioni Alessandrino e
Gardenie della futura Metro C (Figura 3.10): ' RL: Terreni di Riporto, limi argillosi avana e grigi misti a sabbie e ghiaie; ' SL: Sabbie limose argillose marrone scuro con ghiaie scarsamente evolute morfologicamente di natura da calcarea a silicea; ' SG: Sabbie e ghiaie eterometriche da 0,5 a 3 cm di diametro in matrice sabbiosa di colore da grigio ad avana chiaro; ' AP: Argilla limosa pliocenica grigio azzurra, omogenea e plastica; ' PN: Pozzolana Nera, di colore scuro tendente al nero violaceo, si presenta a grana piuttosto fine, composizione leucititica con tendenza a vesuvitica; ' PR: Pozzolana Rossa, di colore rosso violaceo, tufo incoerente di composizione leucititica; ' TF: Tufi Argillificati, di colore marrone chiaro tendente all''arancione. Figura 3.9 - Cassette di terreni campionati nell''area di Malagrotta, Roma Ovest (si riconoscono i terreni RL, SL, SG ed AP). Figura 3.10 - Cassette di terreni prelevati nei cantieri della Metro C, Roma Est (si riconoscono i terreni PN, PR e TF). Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 82 Le proprietà fisiche dei terreni analizzati sono state determinate presso il laboratorio di Geotecnica e Geologia applicata (Sapienza), impiegando in particolare la
ASTM D422-98 per la determinazione della distribuzione granulometrica e la ASTM
D4318-00 per la determinazione dei limiti di Atterberg (Tabella 3.7, Figura 3.11). Tabella 3.7 - Proprietà dei sette terreni romani analizzati. Terreno wL [%] wP [%] Percentuali G-S-L-A (%) Wn [%] USCS Peso di volume [kN/m 3] Permeabilità in sito [m/s] RL 37 19 18-24-34-24 30 CL 19,0 1x10 -06 SL 49 21 22-40-20-18 30 CL/ML 19,5 2x10 -06 SG 14 ND 33-40-14-13 8 SM 21,0 4x10 -04 AP 38 19 00-00-64-36 60 CL 18,0 8x10 -11 PN - - 08-49-38-05 30 SM 15,0 6x10 -06 PR - - 11-58-24-07 32 SM 18,2 2x10 -04 TF 34 25 02-47-39-12 52 ML 16,6 9x10 -07 Figura 3.11 - Distribuzione granulometrica dei sette terreni romani analizzati. Seguendo la procedura riportata al § 4 sono state realizzate in totale ventuno miscele terreno-legante, tre per ciascun terreno, variando il contenuto d''acqua e i
parametri della malta cementizia, come riportato in Tabella 3.8. Sono stati impiegati dei
miscelatori da cucina tipo Kenwood e Hobart (Figura 4.2). In seguito
all''omogeneizzazione del terreno, veniva aggiunta la malta a base di cemento Portland e
acqua. In Tabella 3.8 compaiono anche i valori del parametro Mt (ottenuto applicando la
procedura per la valutazione della lavorabilità, come specificato nel prosieguo) e del
parametro T (laboratory vane), entrambi misurati prima della fase di confezionamento PARTICLE SIZE DISTRIBUTION (A.S.T.M. D 422-90) 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 '' D E I G R A N I ( m m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P A S S A N T E ( % ) RL SL SG AP PN PR TF GHIAIA GROSSA MEDIA FINE GROSSA MEDIA FINE GROSSO MEDIO FINE SABBIA LIMO ARGILLA N 10 N 40 N 200 Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 83 dei provini (§ 4). La miscela stabilizzata veniva inserita all''interno degli stampi in PVC
in tre strati, compattati mediante tre tecniche di confezionamento (§ 4.4): - Nessuna Compattazione, N.C.: semplicemente è consistita nel riempire lo stampo versando la miscela (se a comportamento liquido) o tramite l''utilizzo di una
spatola in caso di più elevata consistenza; - Tapping, TA.: In seguito alla disposizione di ciascuno strato, lo stampo veniva battuto contro il piano di lavoro per 50 volte. - Rodding, RO.: Ogni strato è stato compattato con trenta movimenti verticali punzonanti di un''asta cilindrica di metallo. Figura 3.12 - Tecniche di confezionamento adottate, da sinistra: N.C., TA., RO.. I provini sono stati disposti all''interno di cassette di maturazione sigillate e testati mediante prove di compressione ELL (in numero di 378) e prove di permeabilità
in cella triassiale (in numero di 68, numero limitato dai tempi maggiori richiesti dalla
prova) a opportuni tempi di maturazione, variabili tra 7 e 28 giorni (vedi §5.3.5). Per ciascuna condizione di prova venivano prodotti 3 provini da testare mediante prova ELL, più uno aggiuntivo per l''eventuale prova di conducibilità idraulica. Le miscele terreno-legante analizzate presentano valori di Mt inferiori a 15Nm, che rappresenta un limite meccanico del miscelatore Kenwood impiegato, che
risulterebbe danneggiato da una miscelazione della durata di 10min in presenza di
miscele aventi Mt > 15Nm (per le miscele più consistenti realizzate a partire dal terreno
KC era stato impiegato un miscelatore a potenza maggiore). Inoltre le miscele testate
rientrano nei valori tipici del trattamento Deep Mixing in Europa. Pertanto le miscele
testate presso il DICEA sono caratterizzate da valori relativamente alti di lavorabilità,
associabili in alcuni casi a miscele dal comportamento liquido, quindi le tecniche di
compattazione dinamica e statica, pur capaci di assicurare una maggiore energia di
compattazione, non sono state impiegate perché non applicabili in queste condizioni,
per i problemi evidenziati in § 4.4 e i risultati presentati al § 5.1. Applicando la procedura descritta in § 4 è stato possibile ottenere una misura della lavorabilità anche per le miscele associate al terreno KC (materiale gentilmente
inviato dal PARI) come riportato in Tabella 3.8, utile per poter confrontare i dati
ottenuti nelle due fasi di studio presso il PARI e presso il DICEA. Per permettere l''estensione verso altri laboratori dei risultati complessivamente ricavati è stata infine elaborata una curva di calibrazione graficando il parametro di Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 84 lavorabilità Mt con il contenuto d''acqua wn di un terreno facilmente disponibile come il
Caolino, usando parametri fissati Vm0, Rs0, Sh0., come riportato al § 5.3.4 cui si rimanda. Tabella 3.8 - Caratteristiche delle miscele testate presso il DICEA. Tipo terreno Contenuto acqua, wn (%) Parametri malta cementizia Lavorabilità, Mt (Nm) Laboratory vane, T (°) RL 20 ac = 10% w/c = 1 13,55 10,0 30 4,81 5,0 40 2,23 3,0 SL 35 9,08 9,0 40 4,88 6,0 45 3,76 3,0 SG 6 11,28 10,0 8 5,11 6,0 10 3,51 3,0 AP 50 10,16 9,0 60 5,76 4,0 70 2,34 2,0 PN 25 ac = 10% w/c = 0,5 6,97 3,0 30 2,37 1,5 35 0,21 0,7 PR 20 8,34 6,0 26 1,60 2,0 32 1,08 1,0 TF 44 8,22 8,0 48 0,60 2,0 53 0,20 1,0 KC 72 w/c = 0 ac = 5% 5,32 5,0 66 8,47 7,0 60 17,40 12,0 w/c = 0 60 ac = 20% 29,00 23,0 60 ac = 30% 40,00 33,0 54 ac = 20% 61,00 59,0 3.4 Attività in collaborazione tra DICEA (Sapienza Università di Roma), Università di Padova e Bauer Group 3.4.1 Obiettivo dello studio sperimentale ' stato inoltre possibile instaurare una collaborazione con l''Università di Padova e la Bauer Group per uno studio relativo ad un campo prova di Cutter Soil Mixing in
Zandvoort (Olanda), installato per la realizzazione di un edificio multipiano dotato di
parcheggio interrato, destinato ad accogliere attività commerciali al piano terreno e
unità residenziali ai piani superiori. L''obiettivo della collaborazione è stato quello di
individuare delle correlazioni tra i parametri di miscelazione in sito e in laboratorio a
partire dai dati di produzione dei pannelli CSM di prova ed effettuare dei confronti tra i
risultati ottenuti da prove su campioni prelevati in sito e su provini di laboratorio, Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 85 realizzati in un fase successiva a scopo di ricerca (nei comuni indirizzi progettuali la
fase di laboratorio precede quella costruttiva, § 2.1). La collaborazione Università di
Roma Sapienza, Università di Padova e Bauer Group ha portato alla pubblicazione
preliminare di due note, riportate in bibliografia (Bellato et al., 2012a; 2012b). 3.4.2 Materiali e programma delle prove di laboratorio Le indagini geotecniche condotte in sito (prove penetrometriche statiche e sondaggi stratigrafici) e le prove di laboratorio hanno permesso di individuare nei
terreni di imposta la prevalenza di sabbia da fine a media e di densità da media ad
elevata. I profili CPT hanno evidenziano la presenza di uno strato di sabbia densa tra
3.0 ÷3.5 m e 9 m di profondità. La falda è stata incontrata a circa 2.2 m dal piano campagna. I lavori di costruzione dell''edificio multipiano prevedevano la produzione dei pannelli Cutter Soil Mixing a sostegno del futuro scavo di 4 m destinato ad accoglierne
il parcheggio interrato. L''unità CSM, installata su un carro BAUER RTG RG 21 T, è stata equipaggiata con una testa miscelante BCM 5, in grado di produrre pannelli rettangolari di
dimensioni in pianta pari a 2.4x0.55 m 2. La profondità di progetto era di circa 11.5 m, raggiunti seguendo la procedura a singola fase, cioè iniettando fin dalla fase di
penetrazione la miscela legante di progetto. I pannelli sono stati realizzati uno di seguito
all''altro, seguendo il cosiddetto metodo ''fresh in fresh', con una sovrapposizione di
circa 20 cm. Ciascun pannello è stato, infine, rinforzato con 2 profilati in acciaio IPE
220 di lunghezza 8.5 m. In cantiere è stata utilizzata una miscela cementizia
caratterizzata da un rapporto acqua/cemento (w/c) pari a 1.25 e, come legante, un
cemento speciale chiamato ''Blitzdämmer HS738S' (Figura 3.13). Figura 3.13 - Area di cantiere vista generale e particolare. Durante la produzione dei sei pannelli CSM di prova è stato registrato a prefissati intervalli di tempo (generalmente 3 s) un significativo numero di dati
operativi, quali: velocità di rotazione delle ruote miscelanti, velocità di penetrazione e
risalita della testa miscelante, coppia torcente utilizzata, deviazioni planimetriche dalla
verticale dell''unità CSM, etc., alcuni dei quali sono riportati a titolo di esempio in
Figura 3.14: andamenti con il tempo della profondità raggiunta, della velocità di
rotazione e del momento torcente delle ruote, della malta iniettata. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 86 Figura 3.14 - Alcuni dati di produzione riferiti al pannello X1. In Tabella 3.9 sono riportati alcuni dei parametri di produzione relativi al pannello X1 (riferiti alla quota di circa 2 m da p.c.). Tabella 3.9 - Parametri di produzione riferiti alla quota di 2m dal p.c. per uno spessore di 1 m. Pannello X1 Quantitativo di malta per metro lineare (l/m) 973.7 Velocità di rotazione media ruote fase discesa (U/min) 30 Tempo miscelazione fase discesa (secondi) 2077 Coppia T media fase discesa (kN·m) 13,27 Velocità di rotazione media ruote fase risalita (U/min) 33 Tempo miscelazione fase risalita (secondi) 591 Coppia T media fase risalita (kN·m) 8,39 Contenitori ermetici riempiti di miscela 12 Terminata la fase di risalita e di installazione dell''armatura, si è proceduto al prelievo di campioni ''wet grab' di miscela terreno-cemento dalla profondità di circa 2
m da p.c., sigillati in contenitori di latta ermetici (Figura 3.15). I campioni così ottenuti
sono stati mantenuti in condizioni di temperatura e umidità relativa costanti per tutta la
durata del periodo di maturazione, fino alla data di esecuzione delle prove. Una parte dei contenitori ermetici con la miscela prelevata dal sito sono stati conservati all''interno di una camera in condizioni ambientali controllate per un periodo
di 40 giorni, mentre la restante parte è ivi rimasta fino a 125 giorni. Al termine di
ciascuno dei due periodi di maturazione, i corrispondenti campioni di materiale sono
stati estratti e carotati al fine di ottenere provini di diametro pari a 37 mm e 54 mm. Le
basi sono infine state rifinite garantendo un rapporto di forma altezza/diametro (h/D)
rispettivamente pari a 2 e 1.5. 0
2
4
6
8 10
12 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 [m ] [min] Profondità [m] 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 [rp m ] [min] Velocità ruota SX [rpm] Velocità ruota DX [rpm] 0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 m o m e n to t o rc e n te [k N m ] [min] Torque SX [kN m] Torque DX [kN m] 0 1 2 3 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11- 11.5 [m ] Flusso totale normalizzato valore di progetto 800 l/m Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 87 Figura 3.15 - Prelievo di campioni wet grab in sito, successivamente carotati, e fasi di confezionamento dei provini in laboratorio. A partire dai dati di produzione relativi al pannello X1 è stato possibile individuare il binder content effettivo, utile per ricreare il medesimo mix design in
laboratorio, impiegando il terreno prelevato in sito e il legante utilizzato in cantiere
secondo gli stessi dosaggi. (Figura 3.16, formule riportate in Appendice A). (Nei
comuni indirizzi progettuali la fase preliminare di miscelazione in laboratorio precede
quella costruttiva, § 2.1). Per quanto riguarda i provini prodotti in laboratorio, è stata
quindi seguita la procedura descritta in § 4. In particolare, la fase di preparazione dei
materiali ha previsto l''omogeneizzazione del terreno proveniente dai contenitori
ermetici nel miscelatore e la successiva aggiunta di malta cementizia con proporzioni
analoghe a quelle utilizzate in sito. ' stato possibile misurare il momento torcente (Mt)
esercitato dal mixer. I parametri di produzione relativi alla miscelazione sono riportati
in Tabella 3.10. La miscela terreno-legante è stata poi versata in stampi cilindrici. I
provini ottenuti sono stati inseriti all''interno di cassette di maturazione e mantenuti in
condizioni di temperatura 20°C e umidità relativa 95% per un tempo variabile tra 7 e
125 giorni (Figura 3.15), prima di essere testati. Tabella 3.10 - Parametri di produzione relativi alla miscelazione di laboratorio. Volume (dm 3) Velocità di rotazione (U/min) Tempo miscelazione (min) Parametro Mt (N·m) 3 94 10 4 Sulle due serie di provini sono stati condotte micro-tomografie a raggi X, prove di resistenza a compressione non confinata e conducibilità idraulica (mediante
permeametro a pareti flessibili con gradienti idraulici variabili tra 100 e 250). Le prove
sono state condotte presso l''Università di Padova e il laboratorio di Geotecnica e
Geologia applicata del DICEA (Sapienza). I risultati riportati in § 5.4 si riferiscono ai
soli provini di laboratorio. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 88 Figura 3.16 - Valutazione del binder factor e binder content a partire dai dati di produzione. 3.5 Prove di laboratorio Sono state condotte prove di laboratorio sui circa 1000 provini di miscela terreno-legante. Prima della generica prova si procede alla misura del peso, del diametro
e dell''altezza secondo le modalità schematizzate in Figura 3.17. Dai dati ricavati è
possibile calcolare il peso di volume del provino: γ = P/V (kN/m 3) La misura dell''altezza del provino fornisce anche indicazioni su eventuali fenomeni di bleeding (separazione di una parte dell'acqua di impasto dalla miscela con
la formazione di uno strato d'acqua e cemento o boiacca) sulla superficie superiore del
provino). ' bene riportare eventuali irregolarità nel provino (superfici non piane, eccessiva presenza di vuoti, etc.). Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 89 Figura 3.17 - Determinazione del diametro (media 6 misure) e dell''altezza (media 3 misure) dei provini mediante calibro. 3.5.1 Prova di compressione ad espansione laterale libera (ELL o UCS) La prova di compressione ad Espansione Laterale Libera ELL (ASTM D2166) serve a determinare la resistenza a compressione qu (denominata anche UCS,
unconfined compressive strength) di un provino in seguito all''applicazione di un carico
verticale. Dalla curva sforzi-deformazioni è possibile determinare il valore massimo
della resistenza qu, il corrispondente valore di deformazione a rottura εf ed il modulo
elastico secante E50. I vantaggi nell''impiego di tale prova risiedono nella economicità e rapidità di esecuzione. In Figura 3.18 sono illustrate le diverse presse impiegate nello studio sperimentale, che si differenziano in due gruppi, quelle di più recente produzione
(laboratorio Soil Stabilisation Group, PARI e Laboratorio di Strade, DICEA Sapienza)
che prevedono l''acquisizione dei dati in formato digitale mediante l''uso di trasduttori
elettrici per la lettura degli spostamenti verticali e del carico applicato, e quelli che
prevedono la lettura manuale (pressa tipo Belladonna del Laboratorio Geotecnica e
Geologia applicata, DICEA Sapienza) del comparatore per gli spostamenti verticali e
del comparatore montato sull''anello dinamometrico. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 90 Figura 3.18 - Macchinari impiegati per le prove di compressione ELL. Le letture sono state eseguite ogni 2sec in digitale e ogni 0,1mm di abbassamento verticale in manuale. La velocità di prova è stata fissata pari a 1mm/min
per tutte le apparecchiature impiegate. La prova si è ritenuta conclusa quando si è
verificata una delle seguenti condizioni: '' La lettura del carico è scesa in seguito alla rottura del provino al di sotto dei
2/3 del carico massimo registrato durante la prova; '' La deformazione ha superato il 15% dell''altezza iniziale del provino.
Conclusa la prova si è proceduto con l''estrazione del provino e con l''analisi della superficie di rottura. Infine è stato determinato il contenuto d''acqua del provino
prendendone una parte rappresentativa in un apposito contenitore ed essiccandola in
forno a 110 °C. La prova fornisce i dati in termini di forza applicata, F (kN) e spostamenti registrati, δ (mm). Lo sforzo agente (kPa) è pari a:
; la deformazione ε è pari a:
Dove A è l''area del provino cilindrico e h l''altezza. In corrispondenza del massimo valore della resistenza a compressione qu, è individuato il valore di deformazione a rottura εf (%). Il modulo elastico secante E50 si
trova invece come valore di resistenza pari al 50% della resistenza qu diviso la relativa
deformazione, come illustrato in Figura 3.19, relativa ad una generica prova. Tale tipologia di prova risulta essere quella maggiormente applicata nello studio sperimentale internazionale, essendo adatta per testare grandi quantità di provini in
tempi e costi ragionevoli. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 91 Figura 3.19 - Tipico foglio di acquisizione dati con grafico sforzi-deformazioni. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 92 3.5.2 Prova di conducibilità idraulica in cella triassiale Le prove di conducibilità idraulica (o permeabilità) in cella triassiale sono state condotte in maggior parte presso il laboratorio di Geotecnica e Geologia applicata
(DICEA, Sapienza) e relativamente alle miscele terreno-cemento-tire chips presso il
laboratorio del Foundation Group (PARI), in entrambi i casi in accordo alla ASTM
D5084. In particolare viene descritta l''attrezzatura di prova utilizzata presso il DICEA (Figura 3.20), caratterizzata da una tecnologia meno recente rispetto a quella impiegata
presso il PARI (che prevedeva un controllo mediante centralina elettronica dei diversi
parametri della prova, Figura 3.6, Figura 3.21) e perciò avente carattere più generale e
comprensiva della stessa. L''attrezzatura impiegata consiste in: '' Pannello triassiale tipo Belladonna, comprensivo di dispositivi per la regolazione delle pressioni, di burette volumetriche di lettura e di serbatoio
d''acqua esterno, con annesse celle di carico; '' Cella triassiale, con funzione di contenere il provino, di permettere l''applicazione di una pressione isotropa, di realizzare la saturazione
attraverso appositi circuiti di drenaggio; alla base della cella triassiale sono
collegate 4 valvole: Valvola (A) collegata all''interno della cella triassiale,
per il riempimento della stessa e per l''applicazione della pressione idraulica;
Valvole (B e D) collegata al plinto di base, per la saturazione o il drenaggio
dello stesso e per l''applicazione della pressione di flusso dal basso verso
l''alto; Valvola (C) che collega tramite apposito tubicino la testina per il
drenaggio superiore con la buretta di lettura. '' Il plinto di base, che deve essere dello stesso diametro del provino ed è stato realizzato su misura (diametro 5cm); '' La testina superiore, anch''essa di diametro pari a quello del provino, che è perforata e collegata alla linea di drenaggio superiore con un tubicino
sufficientemente flessibile e indeformabile; '' Coppia di pietre porose dello stesso diametro del provino (diametro 5cm), in materiale non attaccabile chimicamente dal fluido interstiziale e dai minerali
costituenti il provino, che possiedano un coefficiente di permeabilità
superiore a quella del materiale provato; '' Foglio di carta da filtro, da cui ricavare 4 dischi della stessa dimensione dei dischi porosi; '' Coppia di membrane in lattice di gomma naturale di diametro non inferiore al 95% di quello del provino; la tenuta idraulica della membrana intorno al
provino viene realizzata attraverso 4 appositi anelli di gomma, O ring,
sufficientemente rigidi, di diametro compreso tra l''80 e il 90% di quello del
provino; '' Acqua distillata;
'' Contasecondi. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 93 Figura 3.20 - Pannello Belladonna, celle di carico, valvole del plinto di base e prove in parallelo in corso (DICEA). Figura 3.21 - Attrezzatura impiegata presso il PARI. La fase di preparazione della prova prevede la predisposizione dell''attrezzatura, la saturazione dei circuiti, del plinto inferiore e superiore, la preparazione del provino e
della cella. 1) Predisposizione dell''attrezzatura: Le pietre porose e i dischi di carta filtro sono stati immersi in acqua distillata. In seguito al posizionamento del plinto di base
sono stati collegati i diversi circuiti. Sono state collegate: la cella di carico n°4 al
rubinetto A, la cella n°1 al rubinetto B, la valvola C è collegata alla buretta di lettura;
per l''altra cella triassiale è stata collegata la cella n° 2 al rubinetto B, gli altri
collegamenti rimangono invariati.; 2) Saturazione dei circuiti e del plinto inferiore: Per saturare il circuito della Back Pressure ed il plinto inferiore è stato aperto il rubinetto collegato al serbatoio
d''acqua. Dopo aver chiuso il rubinetto A, è stato assegnata la pressione di 2 bar; in Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 94 seguito tale rubinetto è stato riaperto e si è aspettata la fuoriuscita di un po'' d''acqua.
Tale procedura è stata eseguita sino a quando nella fuoriuscita d''acqua sono risultate
assenti bolle d''aria. Le operazioni sopra descritte sono state eseguite anche per
eliminare l''aria presente nel circuito della cella e l''altra entrata del plinto inferiore
(rubinetto D); 3) Saturazione del plinto superiore: Le due filettature alle estremità del tubicino (che collega il plinto inferiore al superiore) sono state avvolte con il teflon e inserite poi
nel foro della piastra della cella (che immette nel rubinetto C) e nel plinto superiore; è
stata poi assegnata una pressione fino a 3 bar ed è stato aperto il rubinetto C per
verificare la tenuta delle guarnizioni e far fuoriuscire l''aria presente. Eseguita la
saturazione sono stati inseriti gli O ring nel tubicino (serviranno successivamente a
bloccare la membrana che avvolge il provino nella parte superiore); 4) Preparazione del provino: Il generico provino è stato pesato e misurato (§ 3.5); è stato poi avvolto nella membrana. Successivamente alla saturazione sono stati
sistemati sul plinto inferiore in quest''ordine: disco di carta filtro, pietra porosa, disco di
carta filtro. La carta filtro ha la funzione di impedire l''intasamento dei dischi porosi. Il
generico provino è stato poi disposto al di sopra e l''estremità inferiore della membrana
è stata fissata al plinto inferiore mediante 2 O-ring. Sul provino sono poi stati
posizionati un disco di carta filtro, la pietra porosa, un altro disco di carta filtro ed il
plinto superiore, e successivamente la membrana è stata tesa sul plinto superiore e sono
stati inseriti gli O ring precedentemente disposti (Figura 3.22); Figura 3.22 - Saturazione del plinto inferiore; posizionamento della carta filtro-pietra porosa-carta filtro; posizionamento del provino e degli O-ring; inserimento della carta filtro-pietra porosa-carta filtro e testina superiore; inserimento O-ring superiori; provino installato; riempimento della cella triassiale con acqua; prova in corso (DICEA). Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 95 Figura 3.23 - Fasi di preparazione della prova presso il PARI. 5) Preparazione della cella: Dopo aver predisposto il provino, la cella è stata chiusa adoperando contemporaneamente le tre viti poste sulla base inferiore ed è stata
immessa acqua nella cella (dopo aver aperto il rubinetto collegato al serbatoio d''acqua e
il rubinetto A). Appena fuoriuscita una goccia d''acqua dalle valvole superiori, esse sono
state chiuse mediante le apposite viti. Terminata la preparazione della cella, inizia la
fase di prova. La prova consiste nell''assegnare un determinato gradiente idraulico in modo da creare un flusso ascendente all''interno del provino. Si inizia con l''assegnare la
pressione di cella chiudendo il collegamento con il serbatoio esterno, aprendo il
rubinetto di collegamento con la cella di carico, posto sul pannello Belladonna e
aprendo il rubinetto A relativo alla cella. Successivamente si gira la manopola di
comando in senso orario al fine di assegnare una pressione di 2bar (per quanto riguarda
le prove presso il PARI, la pressione di cella era fissata pari a 40kPa). Si assegna poi la
pressione di flusso alla base del plinto, aprendo il rubinetto sul pannello relativo alla
pressione di flusso e aprendo contemporaneamente i rubinetti B e C (di entrata ed
uscita, rispettivamente). La manopola caricherà la cella fino ad una pressione impostata
ad 1bar (per quanto riguarda le prove presso il PARI, la pressione di flusso era fissata
pari a 20kPa). In seguito all''applicazione delle due pressioni si instaura un flusso dal
basso verso l''alto a causa della differenza di pressione tra la base e la testa del provino,
pari a ' = 1bar. ' stato segnato il valore iniziale della buretta di lettura e si è proceduto
alla lettura dello stesso ad istanti prefissati. ' possibile calcolare la conducibilità idraulica (o coefficiente di permeabilità, k) considerando un andamento lineare della pressione idraulica: Q = portata media del flusso, espressa in cm 3/sec: v = velocità media del flusso, espressa in m/sec: i = cadente piezometrica (adimensionale): Il valore del coefficiente di permeabilità, espresso in m/s, è dato dalla seguente
relazione: Dove: 'V: volume totale di acqua fluito nel provino, in cm 3; 't: tempo totale trascorso dall''inizio della prova, in secondi; A = area trasversale del provino, espressa
in cm 2; 'P = differenza di pressione tra le due facce del provino, nel caso studiato è pari a 1bar (10,20m c.a.); H = altezza del provino, espressa in cm. Capitolo 3 - Studio sperimentale _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 96 La prova è considerata terminata quando siano ottenuti quattro valori costanti di conducibilità idraulica (range ± 25%) in letture successive e l''andamento k-tempo
presenti un asintoto orizzontale (ASTM D5084). Nel range di valori di coefficiente di
permeabilità misurati, pari a circa 10 -07-10-10m/s sono stati impiegati generalmente da 2 a 7 giorni. In Figura 3.24 è riportato un tipico foglio di acquisizione dati. Figura 3.24 - Tipico foglio di acquisizione dati prova di conducibilità idraulica. Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 4. PROCEDURA PER I TEST DI MISCELAZIONE IN LABORATORIO ASSOCIATI A UN INTERVENTO DEEP
MIXING
In questo capitolo viene descritta la procedura impiegata nei test di miscelazione associati a un intervento Deep Mixing per il confezionamento di miscele terreno-legante
da cui ricavare provini stabilizzati da sottoporre alle prove di laboratorio. In particolare
sono descritte le apparecchiature e i materiali impiegati, la fase di miscelazione, la
metodologia per la misura della lavorabilità della miscela, le tecniche di
confezionamento per la realizzazione dei provini e le condizioni di maturazione. Le
linee guida JGS 0821 (2000) ed EuroSoilStab (2001) costituiscono la base di partenza
della procedura di seguito riportata. I provini realizzati, di forma cilindrica, vengono
sottoposti alle prove di laboratorio (prova di compressione ELL, prove triassiali, prove
di conducibilità idraulica, etc.) dalle quali ricavare utili indicazioni sulle proprietà dei
terreni trattati. I risultati ottenuti applicando questa procedura non sembrerebbero essere del tutto rappresentativi delle reali condizioni del terreno trattato in sito, viste le differenti
condizioni di miscelazione e maturazione, ma più un limite superiore. Infatti Porbaha et
al. (2000) ed EuroSoilStab (2001) riportano valori del rapporto di resistenze quf/qul
(valori di resistenza a compressione qu in sito /valori di resistenza qu in laboratorio)
variabili nel range 1/5-1/2 ottenuti per terreni Giapponesi e Svedesi. Secondo JGS0821
(2000), il rapporto di resistenze quf/qul varia in funzione del tipo di terreno, ed è pari a
1/3-1 per terreni argillosi e 1/2-1 per terreni sabbiosi. Tali relazioni risultano di utile
riferimento ai fini progettuali. Un programma comparativo di prove di laboratorio su un
certo numero di provini preparati variando per esempio il tipo e il dosaggio dell''agente
legante ed il tempo di maturazione rappresenta un utile ed indispensabile strumento di
conoscenza per la fase di progettazione di un intervento di Deep Mixing, sia per la stima
delle proprietà geotecniche del terreno trattato sia per indirizzare il campo prova verso
la scelta dei parametri operativi del trattamento. Inoltre possono essere sviluppate
relazioni empiriche cha siano maggiormente indicative delle reali differenze riscontrate
tra sito e laboratorio, e a tal fine risulta necessario applicare una procedura di
confezionamento standardizzata che sia adottabile dai diversi laboratori per ottenere
risultati consistenti e comparabili e quindi che possano essere di riferimento progettuale. Le procedure descritte sono state applicate presso il Port and Airport Research Institute (PARI), Tokyo, Giappone e presso il laboratorio di Geotecnica del
Dipartimento di Ingegneria Edile e Ambientale (DICEA) della Sapienza, Università di
Roma, cui si riferiscono le varie immagini riportate. 4.1 Attrezzature 4.1.1 Stampi Gli stampi adottati sono in PVC di forma cilindrica del diametro interno di 5 cm e di altezza pari a 10 cm, sigillati alla estremità inferiore mediante tappo ed Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 98 eventualmente silicone al fine di evitare la perdita di materiale. Per facilitare la
successiva operazione di estrazione del provino, possono presentare delle aperture a
strappo ai lati (stampi usa e getta tipo ''NIfCO') oppure un''unica apertura continua, che
viene sigillata mediante nastro adesivo (stampi riutilizzabili) (Figura 4.1). ' preferibile
impiegare stampi come quelli descritti che permettano l''estrazione del provino evitando
invece quelli che ne prevedano l''estrusione applicando una forza ad una base, procedura
che può arrecare un sensibile disturbo del provino. Figura 4.1 - Stampi cilindrici impiegati nello studio sperimentale. 4.1.2 Miscelatore Impiegato per miscelare il terreno e il legante. Le parti principali sono il motore, la lama e la ciotola di miscelazione. Sono stati impiegati un miscelatore potente, avente
una capacità superiore ai 20 litri (tipo Hobart, presso il PARI) e un miscelatore di
dimensioni ridotte per volumi di materiale fino a 6 litri (tipo Kenwood o Hobart, presso
il DICEA) (Figura 4.2). Fondamentale ai fini di una miscelazione omogenea risulta
essere il movimento planetario combinato con quello rotativo. In Figura 4.2 è anche
riportato il mixer impiegato per la preparazione della malta cementizia. Figura 4.2 - Miscelatori impiegati. Le misure di lavorabilità, eseguite mediante la procedura riportata nel prosieguo, sono state tutte effettuate mediante il miscelatore Kenwood. Al fine di eseguire le
misure di coppia in maniera consistente per le diverse miscele analizzate è stato fissato
un livello della miscela pari ad h1 = 11cm (a partire dal fondo della ciotola)
corrispondente ad un volume V = 3dm 3, come raffigurato nello schema di Figura 4.3. Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 99 Tabella 4.1 - Livelli di riempimento della ciotola. h1 [cm] 11 hciotola [cm] 21,6 Figura 4.3 - Curva di livello del miscelatore Kenwood. 4.1.3 Strumenti per il confezionamento dei provini In base alla tecnica di confezionamento impiegata, varieranno gli strumenti adoperati. Nella Figura 4.4 sono riportati i dispositivi utilizzati per le tecniche Rodding
(aste metalliche di diametro 8mm ed altezza 200mm), Compattazione Statica (cilindro
grigio di diametro 4,90cm, del peso di 4,90kg e dischi da 2,50kg; alternativamente può
essere impiegata una pressa), Compattazione Dinamica (dispositivi in nero: base
massiva in cui viene alloggiato lo stampo e massa battente cilindrica che scorre su di
un''asta per la compattazione degli strati di miscela). Le tecniche Nessuna
Compattazione e Tapping non richiedono strumenti appositi. Per tutte le tecniche si
impiegano un set di spatole per il livellamento finale della superficie e pellicola
trasparente per il rivestimento dell''estremità scoperta del provino. Figura 4.4 - Strumenti per il confezionamento dei provini. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 3 4 5 6 7 R ie m p im e n to d e ll a c io to la [ c m ] Volume [l] Curva di livello del miscelatore h1 Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 100 4.1.4 Dispositivo per la misura del momento torcente, Mt Dispositivo digitale coppia-angolo USAG 814A 200, applicato mediante apposito collegamento all''albero motore del miscelatore (caratteristiche § 3.3.2). Lo
strumento è predisposto per essere collegato ad una leva per la rotazione manuale della
pala del miscelatore in fase di misura. La misura del momento torcente, Mt è associata
alla lavorabilità della miscela (vedi § 3.3.2). L''unità di misura scelta per lo studio è il
[N·m]; il limite massimo impostato è di 80N·m, corrispondente al limite meccanico
della giunzione tra il pezzo metallico a cui è assicurato il dispositivo (maschio) e
l''attacco anteriore per le basse velocità del mixer (femmina). ' possibile prevedere una
telecamera disposta in asse alla rotazione per la videoregistrazione, utile per visionare la
misurazione appena effettuata e conservarne il dato ricavato. Figura 4.5 - dispositivo coppia angolo USAG e collegamento al miscelatore. 4.1.5 Hand vane o Laboratory vane Impiegati (facoltativamente) per avere indicazioni sulla lavorabilità della miscela (§ 2.7.1). 4.1.6 Setaccio ASTM 3/8' (0,95mm) ' raccomandabile che la massima dimensione dei costituenti la miscela sia inferiore ad 1/5 del diametro interno dello stampo. In presenza di terreni aventi frazioni
non trascurabili di particelle ghiaiose si consiglia di impiegare stampi di dimensioni
maggiore (JGS-0821) senza la necessità di setacciare il terreno. 4.1.7 Cassette di maturazione Sono stati preparati dei contenitori stagni, sul fondo dei quali era disposto uno strato d''acqua di circa 5 cm, non a diretto contatto con il piano di appoggio dei provini,
per assicurare un''umidità costante pari a circa il 98% durante tutto il periodo di
maturazione. La cassetta riempita di provini veniva sigillata e sistemata in un luogo
opportuno che assicurasse condizioni di temperatura costanti intorno ai 20°C. La
temperatura influisce sull''incremento di resistenza con il tempo (§ 2.2.3). 4.1.8 Miscellanea Bilancia (precisione 0,1g), contenitori in alluminio per la determinazione del contenuto d''acqua (ASTM D2216), spatola in plastica per la malta, forno, etichette,
nastro isolante, silicone, contasecondi, termometro per la camera di maturazione. Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 101 4.2 Materiali 4.2.1 Terreno Il terreno impiegato era stato prelevato in sito mediante sondaggi meccanici a carotaggio continuo (§ 3). ' consigliabile prelevare un campione rappresentativo di
terreno per ciascuno strato significativo interessato dal trattamento. ' preferibile
conservare il campione di terreno mantenendone il contenuto naturale d''acqua. Per una
stima approssimativa delle quantità di terreno necessarie si possono considerare circa
400g di terreno per la realizzazione di un provino, pertanto in base al numero di provini,
n, serviranno (400 x n)g di terreno. I terreni impiegati nello studio sperimentale sono
raffigurati in Figura 4.6. Figura 4.6 - Preparazione dei terreni per lo studio sperimentale: KC, RL, SL, SG, APL, PN, PR, TF (§ 3.1.2, 3.3.2). Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 102 Nello studio sperimentale si è reso necessario variare il contenuto d''acqua dei terreni, pertanto il generico terreno è stato prima disgregato e fatto essiccare in forno e
in seguito è stato vagliato tramite setaccio 3/8'''' ASTM (procedura non necessaria per i
terreni argillosi). Successivamente si è provveduto alla eventuale nuova aggiunta
d''acqua in funzione delle condizioni di prova. 4.2.2 Legante Sono stati usati cemento tipo Portland (tipo II-LL, classe 32,5R) e legante Blitzdammer®. Nel caso di impiego di malta cementizia, è stata usata acqua di
rubinetto, addizionata in base al rapporto acqua:cemento (w:c) scelto. Particolare
attenzione è stata posta alla conservazione del legante al fine di evitare il contatto con
l''umidità presente nell''aria o la vicinanza ad alte temperature, per non influenzarne la
reattività. Per esempio un cemento degradato si presenta in grani. Le quantità di legante necessarie dipendono dal ''binder content' (ac, contenuto di legante, in %), definito come il rapporto del peso del legante secco rispetto al peso
del terreno asciutto, parametro generalmente adottato in laboratorio (Filz et al., 2005). Si può anche fare riferimento al ''binder factor' (α, fattore legante, in kg/m3), definito come il rapporto del peso del legante secco rispetto al volume di terreno da
trattare, parametro maggiormente adottato in sito in fase di esecuzione (Filz et al.,
2005): ' bene che il legante o il composto di leganti da impiegare per la miscelazione sia lo stesso di quello da adottare in sito (se già scelto) oppure sia tra quelli facilmente
disponibili. Figura 4.7 - Cemento tipo Portland e legante Blitzdammer®. 4.3 Calcolo delle quantità dei materiali Per la valutazione del materiale (terreno, acqua, legante) da utilizzare il punto di partenza è la stima iniziale del peso di volume della miscela γmix; la Tabella 4.2 mostra i
range di valori valutati per le miscele terreno-legante oggetto dello studio. Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 103 Tabella 4.2 - Pesi di volume stimati per ciascuna miscela terreno-legante. Terreno base miscela AK RL SL SG APL PN PR TF γ mix [g/cm 3] 1,50÷1,90 1,9÷2,1 1,6÷1,8 2,0÷2,2 1,7÷1,9 1,7÷1,9 1,7÷1,9 1,5÷1,7 Se non si dovesse disporre dei pesi di volume della miscela, è possibile ottenerli mediante le formule riportate in appendice a partire dalla densità della malta cementizia
e dal peso di volume del terreno. Il peso totale della miscela può essere scelto in funzione del numero di provini (n) da realizzare o del volume di materiale che si vuole miscelare (V). Il peso totale Ptot della miscela per il confezionamento dei provini è calcolato con la formula: oppure [g] Dove: [cm3] è il volume del singolo stampo cilindrico; d (diametro) ed h (altezza) sono le dimensioni dello stampo pari rispettivamente a 5cm e
10cm. ' consigliabile preparare un quantitativo maggiore di miscela rispetto a quello necessario (per esempio tenendo in conto un provino o circa 500g di materiale in più)
per considerare le eventuali perdite di materiale connesse per esempio con la
determinazione del contenuto d''acqua oppure con la presenza di materiale che rimane
attaccato alla ciotola o alla lama miscelatrice. Dal peso totale della miscela (terreno-acqua-cemento) posso calcolare il peso del solo terreno secco con la formula: [g] Dove: wn è il contenuto d''acqua assegnato al terreno, pertanto il peso dell''acqua da aggiungere sarà: ; ac è il contenuto di legante o binder content, consistente nel rapporto tra i pesi asciutti del legante e del terreno, pertanto il peso di legante per
trattare il terreno è dato da: ; w/c è il rapporto acqua cemento caratteristico della malta cementizia (nel caso di trattamento dry mixing è pari a zero), pertanto
l''acqua da aggiungere è pari a: ;. Se il legante è composto da più elementi, ad esempio cemento e bentonite in proporzione , allora il peso del cemento (P c) e della bentonite (Pbent) sono dati da: ; Sono presentate in appendice A ulteriori formule utili per il passaggio dai parametri di miscelazione in laboratorio ai parametri operativi in sito. Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 104 Figura 4.8 - Esempio foglio dati relativi alla miscelazione in laboratorio. 4.4 Procedura di confezionamento Le quantità di terreno e legante per la miscelazione sono state determinate dalla condizioni di prova, che hanno previsto la variazione del contenuto di acqua e di
legante, del rapporto w/c, del tempo di maturazione e la realizzazione da tre a cinque
provini per caso testato (vedi § 3). Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 105 4.4.1 Misura del Momento torcente a vuoto iniziale Lo scopo di questa operazione è quello di misurare il valore di Mt dovuto alla resistenza meccanica del motore del miscelatore, in modo da portare in conto questo
dato e sottrarlo a quello della coppia relativa al materiale. Il dispositivo viene impostato
(80N·m) e agganciato al miscelatore (Figura 4.5), che viene fissato al piano di lavoro. In
seguito l''operatore comincia a ruotare la leva collegata alla lama del miscelatore con
velocità costante per un numero totale di giri pari a 10; all''interno della scodella
metallica non vi è materiale. Il tempo necessario alla misura (che sarà quindi una media
su 10 giri) è di circa 1 minuto. Successivamente il dispositivo viene scollegato. 4.4.2 Omogeneizzazione dei materiali La quantità di terreno per la miscelazione viene posta nel miscelatore e si aggiunge la quantità d''acqua necessaria a conferire al campione di terreno il contenuto
d''acqua desiderato. Il miscelatore viene poi azionato sino al raggiungimento
dell''omogeneità tra i due componenti (sono generalmente richiesti dai 3 ai 5minuti,
Figura 4.9). Vengono infine prelevati tre campioni di terreno per la determinazione del
contenuto d''acqua. A parte si prepara il legante in forma asciutta o di malta, a seconda
delle necessità (Dry o Wet mixing, Figura 4.10). Per realizzare la malta cementizia, può
essere impiegato un mixer del tipo riportato in Figura 4.2 oppure si può provvedere ad
una miscelazione manuale, impiegando una spatola di plastica e una ciotola metallica. Figura 4.9 - Aggiunta di acqua al terreno ed omogeneizzazione (miscelatori Kenwood e PARI). Figura 4.10 - Preparazione malta cementizia (acqua più cemento) o cemento asciutto. Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 106 4.4.3 Fase di miscelazione Una volta omogeneizzato, al terreno presente nel miscelatore viene aggiunto il legante annotando l''orario. Successivamente il miscelatore viene acceso, per una durata
totale della miscelazione pari a 10minuti (JGS 0821), suddivisi in tre intervalli di tempo
di circa 3minuti. Durante la pausa tra due intervalli, si provvede a distaccare il materiale
aderente alle pareti del contenitore e alle pale del mixer per aggiungerlo al resto del
materiale, al fine di favorire una miscelazione il più possibile omogenea (Figura 4.11).
Vengono infine prelevati tre campioni di miscela per la determinazione del contenuto
d''acqua (ASTM D2216). In presenza di terreno torboso, EuroSoftSoil (2001)
raccomanda di limitare il tempo di miscelazione per evitare la rottura delle fibre.
Vengono infine prelevati tre campioni di miscela per la determinazione del contenuto
d''acqua. Figura 4.11 - Aggiunta del legante in forma di malta oppure a secco; pausa per distaccare il materiale attaccato alla lama e alle pareti della ciotola (presso DICEA e presso PARI). 4.4.4 Valutazione della lavorabilità Terminata la fase di miscelazione si provvede a misurare il livello della miscela all''interno della ciotola, allo scopo di controllare che nel recipiente vi sia sempre lo
stesso volume di materiale (tutte le misure di Mt effettuate devono riferirsi allo stesso
quantitativo di materiale vedi § 4.1.2; si consiglia in fase di preparazione di prevedere
un maggiore quantitativo di miscela al fine di poter procedere con una eventuale
asportazione nel caso in cui il volume all''interno del recipiente risultasse troppo elevato,
essendo maggiormente complicata l''aggiunta di materiale nel caso contrario).
Sottraendo all''altezza della ciotola la misura del livello, eseguita dal bordo della ciotola,
si ottiene il livello di riempimento della stessa. Si procede poi con la misura della
lavorabilità, secondo le stesse modalità riportate per la misura del Mt a vuoto: Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 107 l''operatore inizia a ruotare la leva collegata alla lama miscelatrice a diretto contatto con
il materiale all''interno del contenitore, che opporrà una certa resistenza e quindi
restituirà un valore maggiore di Mt rispetto alla lettura a vuoto (velocità 10rpm). La
misura di Mt associata alla generica miscela terreno-legante sarà quindi pari a quella
ottenuta in questa fase depurata del valore a vuoto relativo al miscelatore (per i limiti
meccanici della strumentazione impiegata (§ 4.1.4), la massima lavorabilità misurabile è
pari a 80Nm-Mtvuoto). Per quanto descritto, la nuova procedura per la misura della lavorabilità delle miscele terreno-legante ha il vantaggio di fornire la possibilità di misurare la
lavorabilità della miscela mentre si trova ancora nel contenitore del mixer, eliminando
tutti i problemi di confezionamento discussi al § 2.7.1 e garantendo un consumo di
materiale pari a zero. Dal momento che il miscelatore presenta movimenti planetari, la
misura viene fatta continuamente sull''intera miscela (massima rappresentatività del
campione) e fornisce risultati affidabili, essendo una media su dieci giri. Inoltre è un
metodo rapido, visto che è richiesto circa 1 minuto. Sulla base del metodo proposto la lavorabilità viene quindi espressa come Momento torcente (Mt) applicato ad un certo quantitativo di miscela (Vm), con una
fissata forma della lama miscelatrice (Sh) e velocità di rotazione (Rs). Nel presente
studio sperimentale i parametri sono: Vm0 = 3dm 3; S h0 = forma di ''K' Kenwood; Rs0 = 10rpm. ' anche possibile integrare la misura di Mt con l''Hand vane o il Laboratory vane (tenendo presente i limiti di tale prove, riportati al § 2.7.1) effettuando almeno 3
misurazioni, lontane dai bordi del contenitore (Figura 4.13). Figura 4.12 - Misurazione del livello e determinazione Mt. Figura 4.13 - Misurazione mediante Hand vane e Laboratory vane. Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 108 4.4.5 Confezionamento dei provini Prima dell''utilizzo ad ogni stampo è applicato del grasso spray al fine di limitare al massimo gli effetti di disturbo del provino (distorsioni, distacco dal provino di lenti di
materiale ecc.) dovuti alle successive operazioni di estrazione di miscele
particolarmente delicate (Figura 4.14). La miscela terreno-legante omogeneizzata viene
disposta all''interno dello stampo cilindrico in tre strati (di spessore paria circa 3 cm,
Figura 4.14). Ciascuno strato viene poi compattato con lo scopo di minimizzare la
presenza di bolle d''aria impiegando una tecnica di confezionamento che secondo i
risultati del presente studio sperimentale andrebbe scelta in funzione della lavorabilità
della miscela (range di applicabilità delle tecniche di confezionamento riportati in §
5.3.3), o una tecnica di confezionamento ritenuta opportuna in base all''esperienza. Figura 4.14 - Applicazione grasso spray, inizio confezionamento (presso DICEA e presso PARI) e schema disposizione della miscela nello stampo in tre strati. Le cinque tecniche adottate nel presente studio sono tra quelle maggiormente impiegate in ambito internazionale (Kitazume et al., 2009b): - Nessuna Compattazione, N.C.: consiste nel riempire lo stampo versando la miscela (se a comportamento liquido) o tramite l''utilizzo di una spatola o un cucchiaio
in caso di più elevata consistenza (Figura 4.15). - Tapping, TA.: In seguito alla disposizione di ciascuno dei tre strati, lo stampo viene battuto contro il piano di lavoro rigido per un numero di volte sufficiente a far
fuoriuscire le bolle di aria eventualmente presenti. L''altezza di caduta corrisponde a
circa 5cm, pari a metà altezza del provino. Lo stampo viene battuto 50 volte, numero
ritenuto un buon compromesso tra grado di compattazione e tempo di realizzazione del
provino. In presenza di miscele liquide è consigliabile disporre un tappo paraschizzi
sull''estremità superiore del provino (Figura 4.15). Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 109 Figura 4.15 - Tecniche Nessuna Compattazione (N.C.) e Tapping (TA.). - Rodding, RO.: Ogni strato va opportunamente compattato con l''uso di un''asta metallica cilindrica (8mm di diametro) che viene immersa verticalmente per 30 volte,
distribuendo i colpi sull''intera area del materiale all''interno dello stampo. Il materiale
eventualmente rimasto attaccato all''asta viene spinto manualmente in basso. Durante le
operazioni di costipamento dei successivi due strati non si deve andare a forare il
precedente strato costipato (Figura 4.16). - Compattazione Statica, S.C.: Consistente in una compressione statica, pari a 25 o 50kPa (rispettivamente S.C.25 ed S.C.50) impressa da una massa applicata per un
tempo di 10 secondi per strato. Per facilitare l''applicazione della pressione necessaria è
stato realizzato un cilindro metallico di peso opportuno per la tecnica S.C.25, che
prevedeva la possibilità di aggiungere ulteriori dischi per la tecnica S.C.50. Prima della
realizzazione dello strato successivo la superficie superiore del precedente viene resa
scabra tramite l''uso di una spatola (Figura 4.16). Particolarmente in presenza di miscele
a comportamento liquido l''inserimento del cilindro nello stampo con conseguente
espulsione di aria può causare una parziale estrazione della miscela compattata per
effetto del vuoto creatosi o comunque generare uno spazio anulare intorno ai provini
che saranno quindi non omogenei e caratterizzati da un diametro inferiore a quello
previsto (Figura 4.16). - Compattazione Dinamica, D.C.: Prevede la compattazione di ciascuno strato mediante una massa battente utilizzando un apposito apparato (§ 4.1). Prima della
realizzazione dello strato successivo la superficie superiore del precedente viene resa
scabra tramite l''uso di una spatola. I parametri operativi quali massa, altezza di caduta e
numero di battute possono essere modificati per variare l''energia di compattazione,
quelli adottati nello studio sperimentale sono: massa battente di 1,5kg, altezza di caduta
pari a 10cm, numero di battute pari a 5 (Figura 4.17). In Figura è anche rappresentato
uno dei problemi tipici dell''applicazione di tale metodo in presenza di miscele più
lavorabili, che può comportare l''espulsione del materiale al di fuori dello stampo e
quindi una impossibilità pratica di realizzare il provino, unitamente ai problemi
precedentemente richiamati per la tecnica di Compattazione Statica. Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 110 Figura 4.16 - Tecniche Rodding RO. e Compattazione Statica S.C.25 e S.C.50. ed esempio di provino difettoso (S.C.25 - m2). Figura 4.17 - Tecnica Compattazione Dinamica, D.C.; esempio di espulsione di miscela (D.C. - m2). ' preferibile applicare a ciascuno stampo un''etichetta identificativa, con riportate per esempio la data e le caratteristiche della miscela impiegata. In seguito alla
compattazione, la faccia esposta del generico provino viene livellata (Figura 4.18)
tramite l''utilizzo di una spatola idonea, ed in seguito coperta da una pellicola in plastica
assicurata mediante elastici in gomma. I provini così confezionati sono successivamente disposti all''interno dei contenitori di maturazione precedentemente preparati (Figura 4.19). Si annota l''orario
relativo alla fine del confezionamento: la lavorabilità di una miscela terreno-legante
varia con il tempo, pertanto da risultati sperimentali Kitazume et al. (2009b)
raccomandano di terminare la fase di confezionamento entro 30-45 minuti dall''aggiunta
del legante (§ 2.2.4). Figura 4.18 - Livellamento della superficie del generico provino. Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 111 Figura 4.19 - Disposizione dei provini opportunamente sigillati all''interno della cassetta di maturazione. 4.4.6 Misura Momento torcente a vuoto finale Questa misura viene effettuata per avere un valore di controllo in quanto sono state ottenute per Mt a vuoto finale delle variazioni rispetto al valore iniziale,
probabilmente dovute al differente attrito delle componenti meccaniche del motore del
mixer. In generale, si registrano valori maggiori di Mt nei vuoti iniziali, effettuati prima
delle misure sui materiali, piuttosto che nei vuoti finali, con variazioni dell''ordine dei
0,12÷1,24N·m, di media 0,52N·m, come mostrato in Tabella 4.3. La seconda lettura
della coppia a vuoto risulta inoltre condizionata dalla tempistica con cui viene
effettuata, infatti dopo circa 20 minuti di non utilizzo del mixer i due valori tendono a
coincidere. Tabella 4.3 - Confronto delle misure di Mt a vuoto iniziale e finale. Misurazione 1 2 3 4 5 6 7 8 Media Mt Vuoto iniziale [N·m] 6,92 6,68 6,61 6,32 7,5 6,37 6,92 7,5 6,85 Mt Vuoto finale [N·m] 6,39 6,56 6,39 5,93 6,26 5,87 6,35 6,9 6,33 4.4.7 Report ' bene redigere un report relativo alla miscelazione eseguita, in cui siano presenti: classificazione del terreno e del legante utilizzati, quantità impiegate, contenuti
d''acqua effettivi del terreno e della miscela, tecnica di confezionamento impiegata,
condizioni di maturazione (del tipo riportato in Figura 4.8). 4.4.8 Estrazione dei provini dagli stampi Alla fine del periodo di maturazione i provini sono estratti dagli stampi (Figura 4.20). ' anche possibile estrarre gli stampi dopo pochi giorni, purché abbiano maturato
un sufficiente livello di resistenza. Qualora le estremità dei provini non fossero piane, è
possibile eseguire un eventuale ''trimming' delle superfici, al fine di assicurare la
planarità delle stesse. Nel caso in cui non vengano testati subito, i provini estratti
possono essere avvolti in una pellicola e riposti nuovamente nella cassetta di
maturazione (Figura 4.19). Capitolo 4 - Procedura per i test di miscelazione in laboratorio _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 112 Figura 4.20 - Fasi di estrazione dei provini dalle due tipologie di stampo, con eventuale trimming. Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 5. RISULTATI ED ANALISI Nel presente capitolo sono riportati in maniera critica i risultati ottenuti dalle prove di laboratorio eseguite nelle quattro fasi costituenti lo studio sperimentale,
presentate e descritte al Capitolo 3 nell''ordine cronologico in base al quale sono state
affrontate. I risultati sono suddivisi in quattro paragrafi principali: il primo e il terzo
riguardano direttamente lo studio internazionale volto alla definizione dell''applicabilità
di diverse tecniche di confezionamento dei provini stabilizzati da sottoporre alle prove
di laboratorio, largamente impiegate nelle diverse fasi di un intervento di Deep Mixing;
nel secondo viene discusso l''effetto dell''aggiunta di tire chips sulle proprietà
meccaniche di una miscela terreno-cemento, da impiegare nella realizzazione di una
barriera impermeabile; nel quarto sono infine descritti i risultati relativi ad un campo
prova di Cutter Soil Mixing in Zandvoort (Olanda) e relativo studio di laboratorio,
ottenuti in collaborazione con l''Università di Padova e la Bauer Group. 5.1 Applicabilità tecniche di confezionamento di provini di miscela terreno- cemento - Soil Stabilisation group (PARI) I risultati presentati in questa sezione si riferiscono alle nove miscele caratterizzate da diversa lavorabilità analizzate al § 3.1.2. Prima della fase di
realizzazione dei provini ciascuna miscela è stata sottoposta all''Hand vane test e quindi
caratterizzata da un valore di resistenza al taglio in condizioni non drenate, cu (kPa),
associabile alla lavorabilità o consistenza della miscela stessa. Pertanto nei grafici che
seguono, si riporta il valore di cu (kPa) sull''asse delle ascisse. Inoltre nella
presentazione dei risultati generali, le miscele studiate sono state suddivise in tre gruppi
(A, B e C) in base alla lavorabilità iniziale, passando dalle miscele più lavorabili
(Gruppo A) a quelle più consistenti (Gruppo C). Sono infine riportati in appendice (§
B.1) ulteriori risultati. Sono illustrati in Figura 5.1e Figura 5.2 i valori ottenuti in termini di resistenza qu e peso di volume (indice della densità del provino) per i provini testati relativi a
ciascuna tecnica di confezionamento impiegata, a 7 e 28 giorni di maturazione. I valori
di resistenza qu sono compresi in un ampio range variabile tra 138kPa e 8.560kPa. I
risultati mostrano come la tecnica di confezionamento abbia influenza non solo sui
valori di resistenza ma anche sulla loro variazione nel tempo. Considerando la stessa
tecnica di confezionamento, si riscontra un aumento dei valori di resistenza qu passando
da 7 a 28 giorni, come atteso a causa del processo di idratazione del cemento (Porbaha,
2000). Per quanto riguarda il peso di volume, i valori ottenuti sono compresi nel range
14,03 '' 16,94 kN/m 3, escludendo quelli relativi alla tecnica N.C. (valore inferiore pari a 11.6kN/m 3). ' stata riscontrata una minima variazione tra 7 e 28 giorni, probabilmente legata alle condizioni di maturazione. ' possibile constatare un andamento non lineare
delle proprietà analizzate con la consistenza, quest''ultima dipendente in maniera
maggiore dal contenuto d''acqua e minore dal cemento presente (Tabella 3.2). A parità
di miscela e tempo di maturazione appaiono evidenti delle sensibili differenze nei valori
ottenuti associati alle diverse tecniche di confezionamento utilizzate, anche legate alle Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 114 problematiche riscontrate nel loro impiego (descritte § 3.1.2). I valori di resistenza
relativi alle miscele m1, m2 ed m3, caratterizzate da un basso contenuto di cemento,
risultano nettamente inferiori rispetto agli altri. Confrontando i risultati associati alle
due tecniche di compattazione statica (S.C.25 ed S.C.50), la maggiore energia fornita
dalla tecnica S.C.50 sembra comportare una traslazione della relativa curva verso valori
di resistenza e densità maggiori rispetto a quella ottenuta per S.C.25. Figura 5.1 - Valori di resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. Figura 5.2 - Valori di peso di volume γ per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. Al fine di permettere un confronto visivo diretto dell''effetto di diverse tecniche di confezionamento sulla qualità dei provini, sono raffigurati in Tabella 5.1 i provini
ottenuti per le due miscele m2 ed m7 (caratterizzate da alta e bassa lavorabilità
rispettivamente): per esempio considerando la tecnica TA. nel caso della miscela m2, i
provini realizzati appaiono essere omogenei e privi di difetti, mentre nel caso della
miscela m7 è evidente la presenza di ampi vuoti; viceversa vale per la tecnica D.C.. In Tabella 5.2 sono riportate per confronto con § 1.7.3 le relazioni tra le resistenze qu7 e qu28 per le miscele testate. I valori medi per tipo di miscela e tecnica
risultano compresi nel range qu7/qu28 = 0,59 ÷ 0,93. ' possibile constatare una forte 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) R e s is te n z a q u, ( k P a ) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. 7 giorni m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) R e s is te n z a q u, ( k P a ) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 28 giorni 11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) P es o di v ol um e, γ ( kN /m 3 ) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 7 giorni 11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) P es o di v ol um e, γ ( kN /m 3 ) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 28 giorni Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 115 influenza sui valori ottenuti sia della tecnica di confezionamento sia della lavorabilità
della miscela, che rendono maggiormente cautelativo l''impiego delle relazioni riportate
in letteratura nelle quali spesso non si conoscano le condizioni effettive in cui siano
state determinate. Tabella 5.1 - Confronto visivo provini confezionati dalle miscele m2 ed m7. Tecnica confezionamento Miscela m2 Miscela m7 Nessuna Compattazione, N.C. Tapping, TA. Rodding, RO. Compattazione Statica, S.C.50 Compattazione Dinamica, D.C. ' stata osservata una relazione tra la lavorabilità della miscela terreno-cemento e le proprietà meccaniche dei provini ottenuti mediante le diverse tecniche. Le analisi
presentate nei paragrafi seguenti riguardano l''adozione di due parametri, impiegati per
ottenere alcune indicazioni riguardo l''applicabilità della specifica tecnica di
confezionamento: parametro ''N', resistenza a compressione qu e peso di volume
normalizzati, e parametro ''E', errori relativi sulla resistenza a compressione qu e peso
di volume. Tali parametri sono stati successivamente incorporati nell'' ''indice di Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 116 applicabilità, IA', utile per la valutazione dell''applicabilità di ciascuna tecnica di
confezionamento (considerando l''omogeneità dei provini e la ripetitività dei risultati ad
essa associati) in funzione della lavorabilità della miscela. Tabella 5.2 - Rapporti di resistenza qu7/qu28 per le miscele testate. Rapporti qu7/qu28 Gruppo Miscela D.C. S.C.25 TA. RO. N.C. Media miscela A m1 0,57 0,60 0,64 0,57 0,73 0,62 m2 0,63 0,61 0,65 0,63 1,10 0,72 m3 0,58 0,59 0,62 0,50 0,67 0,59 B m4 0,47 0,94 0,75 0,68 0,77 0,72 m5 0,88 0,83 0,86 0,71 0,88 0,83 m6 0,81 0,76 0,83 0,78 0,52 0,74 C m7 0,84 0,76 0,93 0,75 0,69 0,80 m8 0,62 0,56 0,70 0,67 0,56 0,59 m9 0,90 0,81 0,98 0,76 1,19 0,93 Media tecnica 0,70 0,72 0,77 0,67 0,79 0,73 5.1.1 Parametro ''N' - Resistenza qu e peso di volume normalizzati Al fine di permettere un confronto tra i risultati relativi alle nove diverse miscele, i valori di resistenza a compressione qu e il peso di volume dei provini sono
stati normalizzati rispetto a quelli massimi ottenuti per ciascuna miscela, come riportato
nelle equazioni seguenti e illustrato in Figura 5.3 e Figura 5.4. Resistenza qu normalizzata: # max m u u N u q q q '' ' ' '' ' ' ' , 0 < quN < 1 (5.1) Peso di volume normalizzato: # max m N '' ' ' '' ' ' '    , 0 < γN < 1 (5.2) Dove qumax e γmax sono rispettivamente il valore massimo di resistenza qu e peso di volume ottenuti con una delle cinque tecniche disponibili e riferiti alla specifica
miscela m#. Esaminando i valori normalizzati è possibile ravvisare degli andamenti delle proprietà indagate con la consistenza delle miscele che non apparivano chiari in
precedenza, specialmente per le miscele del Gruppo A (Figura 5.1). Rispetto alle
miscele più lavorabili, la tecnica TA. è risultata essere la migliore in termini di
resistenza e densità ottenute, seguita dalla tecnica RO.. Nel caso di miscele più
consistenti, le tecniche RO. ed S.C.50 sono risultate prevalere sulle altre. ' interessante
notare come i provini relativi alle miscele del gruppo A realizzati mediante
Compattazione Statica presentino valori pressoché identici indipendentemente dalla
pressione applicata di 25 o 50kPa, mentre sono visibili sensibili differenze per le altre
miscele. Si nota anche una minore influenza delle tecniche di confezionamento sui
valori di peso di volume rispetto a quelli di resistenza, visto che tutti i valori ad
eccezione di quelli relativi alla tecnica N.C. sono vicino ad 1. Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 117 Figura 5.3 - Valori di resistenza qu normalizzata quN per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. Figura 5.4 - Valori di peso di volume γ normalizzato γN per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. Gli andamenti ottenuti risultano essere generalmente coerenti tra 7 e 28 giorni, pur presentando delle leggere variazioni. Considerando la stessa miscela, un provino ben fatto è caratterizzato da una bassa presenza di vuoti e/o bolle d''aria e pertanto da densità maggiore rispetto a un
provino di cattiva qualità (Tabella 5.1); avrà inoltre generalmente una resistenza
maggiore, essendo possibile constatare una certa correlazione tra i valori di peso di
volume e resistenza ottenuti nello studio sperimentale (Figura B.1). Tuttavia i provini
realizzati mediante le diverse tecniche di confezionamento hanno mostrato valori molto
differenti di resistenza a compressione pur in presenza di valori simili di peso di
volume. Pertanto è stato deciso di condensare le informazioni fornite dai parametri
normalizzati quN e γN all''interno del parametro N, definito in eq. (5.3). N = Media [quN ; γN] (5.3) Il parametro N fornisce un''indicazione riguardo l''applicabilità di una tecnica di confezionamento: la generica tecnica viene ritenuta applicabile quando i provini che
produce abbiano le migliori proprietà meccaniche (in termini di maggiore resistenza a 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. 7 giorni m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 R e s is te n z a q u n o rm a liz z a ta , q uN 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 R e s is te n z a q u n o rm a liz z a ta , q uN 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. P es o di v ol um e no rm al iz za to , γ N 7 giorni m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 P es o di v ol um e no rm al iz za to , γ N 28 giorni Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 118 compressione) e fisiche (in termini di maggiore densità) rispetto ai provini prodotti
mediante le altre tecniche. A tal fine viene introdotto un criterio per la scelta della
tecnica applicabile relativamente alla consistenza considerata, fissando un valore di
soglia minimo di N = 0,9 ,al di sotto del quale una tecnica non è ritenuta applicabile. I risultati ottenuti per le nove miscele indagate sono stati mediati nei tre gruppi di consistenza, come illustrato in Figura 5.5. I valori mostrano quali tecniche diano i
migliori risultati considerando il parametro N: le tecniche TA. e RO. per il Gruppo A,
RO., TA. ed S.C.50 per il Gruppo B e RO. ed S.C.50 per il Gruppo C. Figura 5.5 - Applicabilità di ciascuna tecnica di confezionamento rispetto al parametro N. 5.1.2 Parametro ''E' - Errori relativi sulla resistenza qu e peso di volume Una generica tecnica di confezionamento può essere considerata applicabile per una data lavorabilità se è capace di garantire una ''ripetibilità' dei risultati ottenibili
mediante il suo impiego (Ismail et al., 2000). Pertanto come ulteriori parametri
indicativi dell''applicabilità di un metodo di confezionamento si è ipotizzato di utilizzare
gli errori relativi sulla resistenza qu e peso di volume, Equ ed Eγ, definiti nelle eq. 5.4 e
5.5. I valori ottenuti sono illustrati in Figura 5.6 e Figura 5.7. ' ' medio u u u qu q q q E min max 5 , 0 ' ' ' (5.4) ' ' medio E     min max 5 , 0 ' ' ' (5.5) Gli errori relativi sono quindi definiti come la semidifferenza fra il valore massimo ed il valore minimo registrati (semidispersione) rapportata al valore medio.
All''interno dell''errore c''è sia l''errore proprio della tecnica di confezionamento sia
quello associato al tecnico che la applica; per ridurre quest''ultimo fattore, ogni tecnica
veniva eseguita dal medesimo operatore. Si ricorda che per ciascuna condizione di
prova sono stati impiegati tre provini gemelli (§ 3.1.2). 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. valore limite 10 20 7 giorni Gruppo A Gruppo B Gruppo C P a ra m e tr o N 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. valore limite 10 20 28 giorni Gruppo A Gruppo B Gruppo C P a ra m e tr o N Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 119 Alcuni valori di Equ determinati per i metodi D.C. ed S.C.25 per le miscele a più bassa
consistenza sono risultati considerevolmente elevati, probabilmente per i problemi
riscontrati in fase di confezionamento come la fuoriuscita di miscela o intrappolamento
del dispositivo di compattazione, riportati al § 4.4.5. I valori maggiori di Equ sono stati
ottenuti per la tecnica N.C. ad eccezione di quelli relativi alle miscele m1 ed m2, aventi
un comportamento più ''liquido' e quindi caratterizzate da una maggiore semplicità di
disposizione all''interno dello stampo in assenza di compattazione, che quindi risultava
essere meno dipendente dall''operatore. Per le diverse miscele e tecniche utilizzate nei
casi rimanenti, i valori di Equ sono generalmente risultati inferiori a 0,10, con valori
leggermente maggiori a 7 giorni di maturazione. I valori di Eγ sono generalmente molto
bassi, se paragonati a quelli di Equ, e ciò è probabilmente dovuto al fatto che dentro al
termine Equ è presente anche l''errore insito nelle apparecchiature impiegate per la prova
di compressione ad espansione laterale libera. Tuttavia i due tipi di errore relativo
mantengono andamenti similari e per entrambi è possibile constatare una maggiore
dispersione dei dati a 7 giorni rispetto a quelli a 28 giorni di maturazione (scala
dell''asse delle ordinate modificata). Figura 5.6 - Errori relativi sulla resistenza qu, Equ per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. Figura 5.7 - Errori relativi sul peso di volume Eγ per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela a 7 e 28 giorni. 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 E rr o re r e la tiv o r e s is te n z a , E qu 7 giorni 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 E rr o re r e la tiv o r e s is te n z a , E qu 28 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 E rr o re r e la tiv o p e s o d i v o lu m e , E γ 7 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0 10 20 30 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 28 giorni E rr o re r e la tiv o p e s o d i v o lu m e , E γ Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 120 I risultati ottenuti sono stati poi integrati nel parametro E, definito nella eq. 5.6: E = Media [Equ ; Eγ] (5.6) In base al parametro E, se i provini realizzati mediante una specifica tecnica di confezionamento risultano avere una bassa variabilità (in termini di errore relativo)
delle proprietà fisiche e meccaniche, i risultati saranno caratterizzati dalla massima
ripetibilità. Relativamente alla accuratezza e ripetibilità dei risultati nelle prove
geotecniche in laboratorio, Richards and Reddy (2010) riportano un valore di errore
percentuale pari al 10%, ritenuto accettabile. Al Tabbaa et al. (2012) riferiscono un
valore dell''errore pari al 5-15%, relativo ai provini di terreno stabilizzato testati
mediante prova di compressione ELL. Pertanto è stato deciso di considerare come applicabili le tecniche che riportassero un valore di E inferiore a 0,1 (in percentuale < 10%). In Figura 5.8 sono
illustrati i valori medi di E riferiti ai tre gruppi di consistenze. I grafici presentano una
scala delle ordinate variabile tra 0 e 0,20 al fine di visualizzare meglio i risultati. Figura 5.8 - Applicabilità di ciascuna tecnica di confezionamento rispetto al parametro E. ' possibile vedere come tutte le tecniche impiegate riportino valori di E al di sotto del limite imposto e siano quindi considerate applicabili, ad eccezione delle
tecniche D.C. ed S.C. relativamente alle miscele del Gruppo A e della tecnica N.C. per
tutte le miscele studiate. 5.1.3 Indice di Applicabilità In merito alle diverse tecniche di confezionamento adottate, è stato possibile effettuare alcune considerazioni relative agli andamenti dei parametri N ed E descritti ai
paragrafi precedenti, anche associabili ai problemi riscontrati in fase di preparazione dei
provini. Al fine di integrare le indicazioni fornite dai due parametri N ed E, è stato proposto un indice di applicabilità, così definito (eq. 5.6): 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. valore limite 10 20 7 giorni Gruppo A Gruppo B Gruppo C P a ra m e tr o E 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. valore limite 10 20 28 giorni Gruppo A Gruppo B Gruppo C P a ra m e tr o E Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 121 E N I A ' ' 1 , 1 0 ' ' A I (5.7) L''indice IA fornisce l''indicazione sulla tecnica di confezionamento capace sia di produrre provini aventi le migliori proprietà fisico-meccaniche (in termini di densità e
resistenza a compressione qu) sia di assicurare la massima ripetibilità dei risultati
rispetto le altre (in termini di minimi errori relativi). Se la tecnica di confezionamento
ha una elevata riproducibilità (E piccolo o prossimo a zero), il termine (1+E) al
denominatore non influirà sul valore di IA che sarà quindi dipendente dal solo parametro
N. Scopo dell'indice è quello di permettere un più agevole confronto tra diverse tecniche
di confezionamento e facilitare la scelta della tecnica che sia maggiormente applicabile
in funzione della lavorabilità della miscela terreno-cemento. Inserendo nell''equazione i
valori limite per i due parametri N ed E precedentemente definiti, si ottiene IA = 0.82,
considerato come valore limite inferiore di applicabilità. L''andamento dell''indice di
applicabilità per i tre gruppi di consistenza è riportato in Figura 5.9 sia a 7 sia a 28
giorni, con andamenti similari. Figura 5.9 - Indice di Applicabilità - miscele testate presso il PARI. Dalla Figura 5.9 è possibile notare come la tecnica RO. sia l''unica applicabile per tutti i gruppi di lavorabilità, ed in particolare per le miscele dei Gruppi B e C. La
tecnica TA. è risultata essere maggiormente applicabile per le miscele del Gruppo A,
mentre la sua applicabilità si riduce all''aumentare della consistenza delle miscele. Le
tecniche N.C., S.C.25 non sono mai risultate applicabili nel range di consistenze
considerato. Il valore dell''indice di applicabilità relativamente alla tecnica D.C.
aumenta notevolmente con la consistenza della miscela, fino a risultare applicabile per
le miscele meno lavorabili. L''analisi dei dati relativi alla tecnica S.C.50 rispetto a quelli
ottenuti per S.C.25 suggerisce come in presenza di miscele maggiormente consistenti
possa essere adottata con successo una maggiore energia di compattazione. A titolo di
esempio potrebbero essere ulteriormente modificati i parametri operativi relativi alle
tecniche D.C. ed S.C. aumentando l''altezza di caduta o la massa battente o la pressione
statica. Si sottolinea l''attenzione sul fatto che nel presente studio sono state analizzate le
tecniche maggiormente utilizzate nei laboratori di deep mixing, così come richiesto 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. valore limite 10 20 7 giorni Gruppo A Gruppo B Gruppo C In d ic e d i a p p lic a b ili tà , I A 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Resistenza a taglio da scissometro, cu (kPa) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. valore limite 10 20 28 giorni Gruppo A Gruppo B Gruppo C In d ic e d i a p p lic a b ili tà , I A Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 122 dallo studio internazionale, non andando ad indagare la possibilità di impiego di una
nuova tecnica. Nella successiva e complementare serie di prove condotte presso il DICEA è stato possibile misurare il parametro di lavorabilità Mt (momento torcente) associato alle
miscele m1÷m6, che ha permesso un confronto diretto e l''integrazione con i dati ricavati
nel corso della terza fase dello studio sperimentale (§ 5.3). 5.2 Effetto di ''tire chips' sulle proprietà meccaniche di miscele terreno- cemento - Foundation group (PARI) Sono riportati di seguito i risultati ottenuti dallo studio sperimentale, evidenziando l''effetto dell''aggiunta di tire chips e del tempo di maturazione sulle
proprietà fisiche e meccaniche del terreno trattato. Per ciascuna miscela confezionata è
stato impiegato un provino sul quale condurre le tomografie ai raggi X e le prove di
conducibilità idraulica durante i diversi step di carico a deformazione controllata e
ulteriori sei provini per l''esecuzione di prove di compressione ELL a 7 e 28 giorni. Per
le analisi delle immagini è stato impiegato il software open source ''ImageJ' (Rasband,
1997-2012). 5.2.1 Analisi delle tomografie ai raggi X Ciascun provino è stato scansionato dal basso verso l''alto, ottenendo 500 immagini distanziate di 0,2mm. In Figura 5.10 si riportano a titolo di esempio le sezioni
trasversali riferite alla metà altezza dei provini (M-1 senza tire chips, M-2 ed M-3 aventi
contenuto di tire chips = 10 e 20% rispettivamente). Stato iniziale, ε = 0% Provino M-1 (tc = 0) Provino M-2 (tc = 10%) Provino M-3 (tc = 20%) Figura 5.10 - Sezioni trasversali centrali dei provini testati. Le immagini ricavate possono essere valutate quantitativamente mediante il ''grey level' o livello di grigio, che è un numero proporzionale alla densità del
materiale. Le regioni scure rappresentano zone a bassa densità, viceversa le regioni
chiare rappresentano quelle ad alta densità. Pertanto le bolle d''aria e le fessure appaiono
in nero, le tire chips in grigio scuro, la matrice terreno-cemento in grigio chiaro e parti
di cemento puro ed elementi di ghiaia risultano essere bianchi. ' stata individuata una
relazione tra il livello di grigio medio iniziale ed il peso di volume dei provini analizzati Scala: 1 cm Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 123 (Figura 5.11), utile per la valutazione della densità dei provini nelle diverse fasi della
prova. Figura 5.11 - Relazione di calibrazione livello di grigio e peso di volume. In Figura 5.12 sono illustrati gli andamenti dei pesi di volume dei provini con l''altezza, riferiti allo stato iniziale e alle condizioni di picco. Stato iniziale (i), ε = 0% M-1 (tc = 0) M-2 (tc = 10%) M-3 (tc = 20%) Condizioni di picco (p) ε = 0.71% ε = 0.79% ε = 1.04% M-1 (tc = 0) M-2 (tc = 10%) M-3 (tc = 20%) Figura 5.12 - Sezioni longitudinali e distribuzione del peso di volume dei provini testati. y = 0.0025x - 90.36 R² = 0.9996 17.6 18 18.4 18.8 19.2 19.6 20 43400 43600 43800 44000 44200 44400 p e s o d i v o lu m e ( k N /m 3 ) "grey value" medio M-1, tc = 0 M-2, tc = 10% M-3, tc = 20% Linear interpolation 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 17 18 19 20 21 Peso di volume (kN/m 3) A lt ez za p ro vi n o , h (mm) M-1-i M-1-p M-2-i M-2-p M-3-i M-3-p Scala: 1 cm Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 124 I differenti provini presentano valori diversi di peso di volume ma variazioni con l''altezza comparabili, quindi le tire chips risultano essere omogeneamente disperse nei
provini M-2 ed M-3. Durante la prova di compressione la densità dei provini varia lungo l''altezza, in particolare si assiste ad un incremento di densità nella parte superiore dei provini, a
diretto contatto con la parte in movimento della pressa. 5.2.2 Resistenza a compressione ad espansione laterale libera Dalle prove di compressione ELL è stato possibile determinare la resistenza qu a 7 e 28 giorni di maturazione per i tre tipi di miscela studiati. Le curve sforzi
deformazioni ottenute sono riportate in Figura 5.13, dalle quali si nota come le miscele
testate siano caratterizzate da un comportamento incrudente negativo. Le prove di
conducibilità idraulica e le tomografie ai raggi X (solo a 28 giorni) sono state condotte
in corrispondenza dei punti segnati con il simbolo ''''. Dalla forma delle curve relative
ai provini sottoposti alle prove di permeabilità si nota un certo disturbo del provino,
probabilmente dovuto all''esecuzione ripetuta di cicli di carico e scarico. Tuttavia gli
andamenti ricavati risultano essere comparabili con quelli relativi ai provini sottoposti
unicamente a prova di compressione ELL. I risultati ottenuti indicano come la resistenza e la rigidezza dei provini testati si riducano con l''incremento di tire chips, che conferiscono una maggiore deformazione a
rottura e quindi un comportamento duttile. Tale circostanza è risultata maggiormente
evidente per i provini maturati a 28 giorni. Figura 5.13 - Curve tensione deformazione per i provini testati, a 7 e 28 giorni di maturazione. In Tabella 5.3 sono riassunti i risultati ottenuti (valori medi su tre provini) in base ai quali è possibile notare come per ciascuna miscela la resistenza e la rigidezza dei
provini siano aumentate con il tempo di maturazione, mentre i valori di deformazione a
rottura diminuiscano passando da 7 a 28 giorni. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Deformazione assiale, ε (%) T e n s io n e v e rt ic a le ( k P a ) 7 giorni 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 V e rt ic a l s tr e s s ( k P a ) Axial Strain, ε (%) M-I M-II M-III M-I k test M-II k test M-III k test tc 0% tc 10% tc 20% tc 0%, k test tc 10%, k test tc 20%, k test 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Deformazione assiale, ε (%) T e n s io n e v e rt ic a le ( k P a ) 28 giorni 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 V e rt ic a l s tr e s s ( k P a ) Axial Strain, ε (%) M-I M-II M-III M-I k test M-II k test M-III k test tc 0% tc 10% tc 20% tc 0%, k test tc 10%, k test tc 20%, k test M-3-k qu = 1,306kPa E50 = 155MPa ε = 1.52 % M-2-k qu = 1,784kPa E50 = 297MPa ε = 0.92% M-1-k qu = 3,158kPa E50 = 451MPa ε = 0.71% M-1-k qu = 4,487kPa E50 = 575MPa ε = 0.67% M-2-k qu = 2,229kPa E50 = 310MPa ε = 0.79% M-3-k qu = 1,546kPa E50 = 203MPa ε = 1.04% Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 125 Tabella 5.3 - Valori medi ottenuti per le tre miscele. Codice miscela resistenza qu (kPa) Modulo secante, E50 (Mpa) Deformazione a rottura, ε f (%) Coefficiente permeabilità, k (m/s) Rapporto qu28/qu7 Rapporto k28/k7 M-1,7gg 3573.7 654.4 0.88 2.46E-10 - - M-2,7gg 1824.2 334.8 0.81 4.14E-10 - - M-3,7gg 1403.8 319.7 1.02 2.72E-10 - - M-1,28gg 4,584.9 839.6 0.76 9.65E-11 1.28 0.39 M-2,28gg 2,373.5 394.9 0.78 1.41E-10 1.30 0.34 M-3,28gg 1,650.6 231.5 1.20 9.65E-11 1.18 0.35 L''analisi delle tomografie ai raggi X ha evidenziato come subito dopo le condizioni di picco iniziassero a formarsi piccole fessure nei provini, che poi iniziavano
a propagarsi ed aumentare di dimensione con l''aumentare della deformazione. In Figura
5.14 e Figura 5.15 sono riportate le sezioni trasversali e longitudinali dei provini per i
diversi valori di deformazione, dalla quale si nota l''influenza delle tire chips sul
meccanismo di fessurazione dei provini. Per il provino M-1, privo di tire chips, è stato
individuato un unico crack continuo per quasi tutta l''altezza di dimensioni via via
maggiori con l''aumentare della deformazione, mentre i provini M-2 ed M-3 hanno
presentato fessure di dimensioni minori che si sono sviluppate progressivamente in
maniera diffusa ed omogenea per tutta la sezione del provino. Provino M-1 (tc = 0) ε = 0,39% ε = 0,59% ε = 0,71% ε = 0,90% ε = 0,99% Provino M-2 (tc = 10%) ε = 0,64% ε = 0,79% ε = 1,02% ε = 1,37% ε = 1,87% Provino M-3 (tc = 20%) ε = 0,85% ε = 1,04% ε = 1,32% ε = 1,84% ε = 2,31% Figura 5.14 - Sezioni trasversali centrali dei provini al variare della deformazione. εa = 0.39% εa = 0,59% εa = 0.71% εa = 0.90% εa = 0.99% εa = 0.64% εa = 1.02% εa = 1.37% εa = 1.87% εa = 0.79% εa = 1.04% εa = 1.32% εa = 1.84% εa = 0.85 % εa = 2.31% εa = 0.39% εa = 0,59% εa = 0.71% εa = 0.90% εa = 0.99% εa = 0.64% εa = 1.02% εa = 1.37% εa = 1.87% εa = 0.79% εa = 1.04% εa = 1.32% εa = 1.84% εa = 0.85 % εa = 2.31% εa = 0.39% εa = 0,59% εa = 0.71% εa = 0.90% εa = 0.99% εa = 0.64% εa = 1.02% εa = 1.37% εa = 1.87% εa = 0.79% εa = 1.04% εa = 1.32% εa = 1.84% εa = 0.85 % εa = 2.31% Scala: 1 cm Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 126 M-1 (tc = 0) M-2 (tc = 10%) M-3 (tc = 20%) ε = 0.99% ε = 1.87% ε = 2.31% Figura 5.15 - Sezioni longitudinali centrali dei provini a fine prova. 5.2.3 Conducibilità idraulica Sono stati ottenuti simili valori e andamenti del coefficiente di permeabilità k con il tempo di maturazione, indipendentemente dal contenuto di tire chips (Tabella
5.3). Sono stati riscontrati per le diverse miscele (a 7 e 28 giorni di maturazione) valori
di conducibilità idraulica inferiori al limite imposto dalla normativa k = 1'10 -9 m/s. La Figura 5.16 riporta l''andamento del coefficiente di permeabilità con le deformazioni subite dai provini nel corso della prova di compressione. La conducibilità
idraulica è aumentata con il processo di compressione, con andamenti diversi a seconda
della quantità delle tire chips presenti. Gli incrementi maggiori sono stati generalmente
riscontrati in corrispondenza delle condizioni di picco, con l''iniziare della propagazione
delle fessure nel generico provino. Nei provini con aggiunta di tire chips (M-2 ed M-3)
è stata osservata un minore aumento della permeabilità a parità di step deformativo
rispetto a quelli della miscela M-1. Per la miscela M-3 sono state in particolare ottenuti
valori di permeabilità, che a 28 giorni rimangono inferiori a k = 1'10 -9 m/s, anche in corrispondenza di deformazioni pari all''1%. La formazione del crack continuo
individuato nel provino M-1 (a 28 giorni) è verosimilmente responsabile del maggiore
incremento di conducibilità idraulica, mentre i provini M-2 ad M-3, per i quali è stato
osservato lo sviluppo progressivo di piccole fessure diffuse di dimensioni inferiori
hanno riportato valori inferiori di permeabilità a parità di deformazione. Scala: 1 cm Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 127 Figura 5.16 - Relazione tra conducibilità idraulica iniziale e la deformazione assiale per le diverse miscele analizzate. In Figura 5.17 sono riportati gli andamenti ottenuti della conducibilità idraulica con il volume delle fessure sviluppatesi nei provini in fase di compressione. Si nota
come i valori del coefficiente di permeabilità aumentino in maniera sensibile nella fase
iniziale, in corrispondenza dello sviluppo delle prime fessure. A parità di volume delle
fessure, i valori maggiori di permeabilità sono stati riscontrati per il provino M-1, in
assenza di tire chips, per le considerazioni riportate in precedenza. Dal confronto dei tre andamenti ricavati per i provini senza e con tire chips, si intuisce come la forma delle fessure abbia maggiore influenza sulla conducibilità
idraulica piuttosto che il volume complessivo delle stesse. Figura 5.17 - Andamenti della conducibilità idraulica con il volume delle fessure. 1.E-11 1.E-10 1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 C o n d u c ib ili tà id ra u lic a , k ( m /s ) Deformazione assiale, ε (%) M-1, tc =0 M-2, tc =10% M-3, tc =20% 7 giorni valore limite 1.E-11 1.E-10 1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 C o n d u c ib ili tà id ra u lic a , k ( m /s ) Deformazione assiale, ε (%) M-1, tc = 0 M-2, tc =10% M-3, tc =20% 28 giorni valore limite 1.E-11 1.E-10 1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 0 3000 6000 9000 12000 C o e ff ic ie n te d i p e rm e a b il it à , k ( m /s ) Volume delle fessure (mm3) M-1, tc = 0 M-2, tc = 10% M-3, tc = 20% 28 giorni ε = 2.31% ε = 1.84% ε = 1.32% ε = 1.04% ε = 1.87% ε = 1.37% ε = 1.02% ε = 0.99% ε = 0.90% ε = 0.71% valore limite ε = 0.79% Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 128 5.3 Lavorabilità miscela terreno-legante ed applicabilità tecniche di confezionamento - Sapienza Università di Roma I risultati presentati in questa sezione si riferiscono alle 21 miscele realizzate a partire dai sette terreni reali dell''area romana. Nella rappresentazione dei risultati
compare il parametro di lavorabilità Mt (momento torcente) valutato per ciascuna
miscela e indice della lavorabilità della stessa (§3.3.2). ' stato inoltre possibile valutare
la lavorabilità delle miscele realizzate a partire dal terreno KC (Kawasaki clay), il che
ha permesso un diretto confronto con i dati ricavati nelle due fasi sperimentali condotte
presso il PARI e il DICEA, necessario per generalizzare i risultati ottenuti. Nel presente paragrafo sono descritti in maniera sintetica ma esaustiva i risultati ottenuti, rimandando all''appendice (§ B.2) la presentazione di tutti i dati ricavati dallo
studio sperimentale. I valori di resistenza qu sono compresi in un ampio range variabile tra 61kPa e 3.457kPa, con i valori minori associati alle miscele realizzate a partire dal terreno AP
(Argilla Pliocenica, valori compresi tra 61 ÷ 251kPa). Per quanto riguarda il peso di
volume, i valori ottenuti sono compresi nel range 13,60 ÷ 21,20 kN/m 3, variabili in funzione del tipo di terreno di partenza. A titolo di esempio sono riportati in Figura 5.18 i valori ottenuti in termini di resistenza a compressione qu e peso di volume a 7 e 28 giorni per le tre miscele relative
al terreno RL (Riporto Limoso). I risultati si riferiscono alle tre tecniche di
confezionamento impiegate, N.C., TA. ed RO.. Per tutte le miscele testate si nota come
ci siano delle sensibili differenze nei valori associati alle diverse tecniche impiegate in
maniera più o meno evidente in funzione della lavorabilità della miscela (Figura B.3 -
Figura B.9), in particolare per alti valori del parametro Mt. I valori inferiori sono
generalmente associati alla tecnica N.C.. Passando da 7 a 28 giorni si assiste ad un
aumento dei valori di resistenza a compressione e ad una mantenimento dei valori di
peso di volume, ad eccezione di alcuni casi in cui un valore minore di γ a 28 giorni di
maturazione può essere associato ad un lieve essiccamento dei provini. Figura 5.18 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno RL, riporto limoso). Nelle Tabella 5.4 e Tabella 5.5 sono riportati i provini realizzati per due delle miscele relative ai terreni SG (Sabbia e Ghiaia) ed AP dal cui confronto visivo è
possibile effettuare alcune considerazioni. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 4 8 12 16 R e s is te n z a qu (k P a ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni RL 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 0 4 8 12 16 P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni RL Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 129 Tabella 5.4 - Confronto visivo provini stabilizzati (terreno di partenza SG). Terreno Sabbia e Ghiaia, SG - malta cementizia: ac = 10%, w/c = 1 Tecnica wn terreno = 10% wn terreno = 6% Nessuna Compattazione, N.C. Tapping, TA. Rodding, RO. Tabella 5.5 - Confronto visivo provini stabilizzati (terreno di partenza AP). Terreno Argilla pliocenica, AP - malta cementizia: ac = 10%, w/c = 1 Tecnica wn terreno = 70% wn terreno = 50% Nessuna Compattazione, N.C. Tapping, TA. Rodding, RO. Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 130 Nel caso delle miscele più lavorabili (maggiore contenuto d''acqua) le 3 tecniche producono provini simili, diversamente per le miscele meno lavorabili appaiono
evidenti delle differenze nella qualità dei provini in termini di maggiore presenza di
vuoti o imperfezioni, in particolare per i provini relativi alla tecnica N.C.; per tale
tecnica infatti sono state evidenziate difficoltà nella realizzazione dei provini, in quanto
la bassa lavorabilità della miscela non ha permesso una disposizione omogenea del
materiale all''interno dello stampo. Relativamente all''impiego delle tecniche TA. ed RO.
non sono stati riscontrati dei problemi in fase di confezionamento dei provini, fatto che
ha poi influito positivamente sui risultati come descritto nel prosieguo. In Tabella 5.4 sono presentati i rapporti di resistenza qu7/qu28, relazioni originali non presenti in letteratura riferite a terreni reali ed eterogenei. I valori riportati per le
diverse miscele presentano evidenti variazioni dovute sia alle differenze nei terreni di
partenza sia alle diverse tecniche impiegate; è stato ottenuto un valore medio globale
pari a qu7/qu28 = 0,63, con variazioni comprese nel range 0,42 ÷ 0,92. Tabella 5.6 - Rapporti di resistenza qu7/qu28 per le miscele testate. Tipo terreno Contenuto acqua, wn (%) Parametri malta cementizia Lavorabilità, Mt (Nm) Rapporti qu7/qu28 N.C. TA. RO. Media RL 20 ac = 10% w/c = 1 13,55 0,57 0,59 0,54 0,57 30 4,81 0,41 0,61 0,48 0,50 40 2,23 0,61 0,55 0,48 0,55 SL 35 9,08 0,92 0,49 0,61 0,67 40 4,88 0,77 0,57 0,59 0,64 45 3,76 0,93 0,60 0,51 0,68 SG 6 11,28 0,57 0,55 0,51 0,54 8 5,11 1,00 0,80 0,68 0,83 10 3,51 0,97 0,96 0,83 0,92 AP 50 10,16 0,43 0,41 0,41 0,42 60 5,76 0,58 0,55 0,63 0,59 70 2,34 0,87 0,78 0,61 0,75 PN 25 ac = 10% w/c = 0,5 6,97 0,47 0,63 0,35 0,48 30 2,37 0,48 0,33 0,47 0,43 35 0,21 0,59 0,63 0,60 0,61 PR 20 8,34 0,73 0,86 0,52 0,70 26 1,60 0,51 0,64 0,59 0,58 32 1,08 0,60 0,74 0,72 0,69 TF 44 8,22 0,75 0,73 0,69 0,72 48 0,60 0,74 0,78 0,69 0,74 53 0,20 0,43 0,82 0,74 0,66 Media tecnica 0,66 0,65 0,58 0,63 Le relazioni generali ottenute tra modulo secante E50 e resistenza a compressione qu, riportate in Tabella 5.7, risultano essere consistenti con i valori riportati in
letteratura (§ 1.7.4). Tali relazioni sono presentate per esteso e suddivise in funzione del
tipo di tecnica di confezionamento impiegata in Appendice B. Come già osservato per le miscele realizzate a partire dal terreno KC (§ 5.1), è stata osservata una relazione tra la lavorabilità della miscela terreno-cemento e le
proprietà meccaniche dei provini ottenuti mediante le diverse tecniche. I risultati Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 131 presentati nel seguito riprendono le definizioni dei parametri precedentemente descritte
nelle eq. 5.1÷5.6, impiegate poi per ottenere l''indice di applicabilità (eq. 5.7). Tabella 5.7 - Rapporti E50/qu per le miscele testate; esempio terreno RL. Tipo terreno Contenuto acqua, wn (%) Parametri malta cementizia Rapporti E50/qu min max RL 20 - 40 ac = 10% w/c = 1 40 170 SL 35 - 45 40 130 SG 6 -10 50 170 AP 50 - 60 50 180 PN 25 - 35 ac = 10% w/c = 0,5 40 150 PR 20 - 32 30 160 TF 44 - 53 30 110 5.3.1 Parametri normalizzati ed errori relativi Al fine di ottenere indicazioni riguardo l''applicabilità delle diverse tecniche di confezionamento, sono stati impiegati i medesimi parametri definiti alle eq. 5.1 e 5.2.,
resistenza a compressione qu e peso di volume normalizzati ed eq. 5.4 e 5.5, errori
relativi sulla resistenza a compressione qu e peso di volume, che possono poi essere
associati nei parametri ''N' ed ''E' ed infine nell''indice di Applicabilità (eq. 5.7). Nelle
figure riportate compaiono anche gli andamenti relativi alle miscele realizzate a partire
dalla Kawasaki clay, a titolo di confronto. Sono illustrati in Figura 5.19 i valori di resistenza qu e peso di volume normalizzati in funzione della lavorabilità della miscela suddivisi per le tre tecniche di
confezionamento impiegate e riferiti a 28 giorni di maturazione. Le tecniche TA. ed
RO. forniscono i valori maggiori nel range di lavorabilità indagato, e risultati
comparabili sono anche visibili per la tecnica N.C. per valori di Mt inferiori a 3. Si nota
anche una minore influenza delle tecniche di confezionamento sui valori di peso di
volume rispetto a quelli di resistenza, visto che tutti i valori ad eccezione di quelli
relativi alla tecnica N.C. sono vicino all''unità. Sono presentati in Figura 5.20 gli andamenti degli errori relativi sulla resistenza a compressione qu e peso di volume in funzione della lavorabilità della miscela per le
tre tecniche di confezionamento impiegate, riferiti a 28 giorni di maturazione. La scala
dell''asse delle ordinate presenta valori compresi tra 0 e 0,20 per meglio visualizzare i
risultati ottenuti. Per le tecniche TA. ed RO. si riscontrano generalmente valori di Equ =
0,05 ed Eγ = 0,01, mentre valori pari a circa il doppio sono associati alla tecnica N.C.. Si nota come, a parità di tecnica, le miscele testate siano caratterizzate da un minore errore sui risultati rispetto a quelli ottenuti per le miscele testate presso il PARI e
ciò è probabilmente dovuto alla loro maggiore lavorabilità. Gli andamenti dei parametri N ed E valutati per il calcolo dell''indice di applicabilità sono illustrati in Figura B.11. 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 M o d u lo s e c a n te E 50 (M P a ) Resistenza qu (kPa) R-NC R-TA R-RO min max E50 = 170 qu E50 = 40 qu Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 132 Figura 5.19 - Parametri normalizzati per le tre tecniche di compattazione impiegate. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 R e s is te n za qu n o rm a li zza ta , qu N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC TAPPING 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 R e s is te n za qu n o rm a li zza ta , qu N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC RODDING 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 R e s is te n za qu n o rm a li zza ta , qu N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC NESSUNA COMPATTAZIONE 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 p e s o d i v o lu m e n o rm a li zza to , γ N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC TAPPING 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 p e s o d i v o lu m e n o rm a li zza to , γ N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC RODDING 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 p e s o d i v o lu m e n o rm a li zza to , γ N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC NESSUNA COMPATTAZIONE 28 giorni Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 133 Figura 5.20 - Errori relativi sulla resistenza qu e peso di volume in funzione della lavorabilità delle miscele testate per le tre tecniche di compattazione impiegate. 5.3.2 Indice di Applicabilità Adottando l''eq. 5.7, sono stati ricavati gli andamenti dell''indice di applicabilità con la lavorabilità delle miscele per le diverse tecniche di confezionamento impiegate,
come raffigurato in Figura 5.21. 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 E rr o re r e la ti v o r e s is te n za qu , E qu Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC TAPPING 28 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 E rr o re r e la ti v o r e s is te n za qu , E qu Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC RODDING 28 giorni (0.35) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 E rr o re r e la ti v o r e s is te n za qu , E qu Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC NESSUNA COMPATTAZIONE 28 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 E rr o re r e la ti v o p e s o d i v o lu m e , E γ Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC TAPPING 28 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 E rr o re r e la ti v o p e s o d i v o lu m e , E γ Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC RODDING 28 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 E rr o re r e la ti v o p e s o d i v o lu m e , E γ Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF KC NESSUNA COMPATTAZIONE 28 giorni Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 134 Impiegando la procedura descritta al § 4.4.4 è stato inoltre possibile valutare anche la lavorabilità delle miscele m1÷m6 realizzate a partire dal terreno KC (Kawasaki
clay) inviato direttamente dal PARI al laboratorio di Roma (la lavorabilità delle miscele
m7÷m9 non è determinabile per i limiti tecnici della strumentazione impiegata presso il
DICEA), e pertanto graficare l''andamento dell''indice di applicabilità con la lavorabilità
(Figura 5.21) anche per i dati ottenuti nella prima fase di studio. Dall''andamento dei
dati sperimentali ottenuti, è stato comunque possibile associare alle miscele m7÷m9 un
intervallo del parametro di lavorabilità Mt pari a 75÷120 Nm. Relativamente alle miscele analizzate si nota come le tecniche TA. ed RO. presentino i valori massimi di applicabilità, sempre al di sopra del limite di accettabilità
e con valori congruenti rispetto a quelli ricavati precedentemente relativi a miscele di
terreno KC. I valori ottenuti appaiono indipendenti dalla tipologia di terreno di partenza,
ma solo dalla lavorabilità della miscela (rappresentata dal parametro momento torcente,
Mt). La tecnica N.C. risulta essere applicabile per valori di Mt < 3Nm, e non applicabile
per valori di Mt > 6Nm. Nel range Mt = 3÷6Nm, non essendo possibile ricavare
indicazioni univoche dai dati, tale tecnica può essere considerata parzialmente
applicabile. Figura 5.21 - Indice di Applicabilità - miscele testate presso il DICEA. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 In d ic e d i A p p li c a b il it à , I A Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF limite KC TAPPING 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 In d ic e d i A p p li c a b il it à , I A Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF limite KC RODDING 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 In d ic e d i A p p li c a b il it à , I A Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF limite KC NESSUNA COMPATTAZIONE 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 10 20 30 40 50 60 70 In d ic e d i A p p li c a b il it à , I A Momento torcente, Mt (Nm) TA NC RO SC25 SC50 DC limite 28 giorni MISCELE KAWASAKI CLAY Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 135 5.3.3 Range di applicabilità delle tecniche di confezionamento (PARI+DICEA) In questo paragrafo finale di sintesi sono riportati i risultati ricavati dalla sovrapposizione ed integrazione dei dati complessivamente ottenuti nelle diverse fasi
dello studio sperimentale condotto presso il PARI (Soil Stabilisation Group) e presso il
DICEA che hanno portato alla determinazione dei range di applicabilità di ciascuna
tecnica di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela espressa dal
parametro Mt (Momento torcente). I range di applicabilità sono illustrati in Figura 5.22. Figura 5.22 - Indice di applicabilità in funzione della lavorabilità per le diverse tecniche di confezionamento. L''applicazione della tecnica N.C. ha evidenziato le maggiori problematiche nella realizzazione dei provini, che non hanno permesso una disposizione omogenea del
materiale all''interno dello stampo con conseguente presenza di bolle d''aria o
macrovuoti ad eccezione delle miscele più lavorabili. La tecnica N.C. è risultata quindi
essere applicabile per valori di Mt < 3Nm, e non applicabile per valori di Mt > 6Nm. Nel
range Mt = 3÷6Nm, non essendo possibile ricavare indicazioni univoche dai dati, tale
tecnica può essere considerata marginalmente applicabile. La tecnica TA. è risultata quasi sempre applicabile, in particolare per le miscele altamente lavorabili, rilevando alcuni problemi in presenza di miscele maggiormente
consistenti, per le quali le condizioni di prova non garantivano una buona
omogeneizzazione dei provini. I dati raccolti suggeriscono come tale tecnica diventi
marginalmente applicabile nel range Mt = 65÷75Nm (intervallo di passaggio da
applicabile a non applicabile), per diventare poi non applicabile per Mt > 75Nm. L''impiego della tecnica RO. ha portato in alcune condizioni di lavorabilità al sollevamento del materiale all''interno dello stampo in fase di estrazione dell''asta al 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Parametro di lavorabilità della miscela, Mt (Nm) T e c n ic a d i c o n fe z io n a m e n to Applicabile Marginalmente Applicabile Non Applicabile Nessuna Compattazione Tapping Compattazione Statica 50kPa Compattazione Dinamica Rodding 65 75 10 15 3 6 Compattazione Statica 25kPa 30 40 Miscele altamente lavorabili, liquide Miscele poco lavorabili, consistenti 120 ... Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 136 termine della compattazione, ma nonostante ciò ha fornito generalmente i migliori
risultati, risultando sempre applicabile nel range Mt = 0÷120Nm. Relativamente all''impiego delle tecniche S.C e D.C. in presenza di miscele più lavorabili (poco consistenti) sono stati riscontrati un intrappolamento del dispositivo
usato per la compattazione, una fuoriuscita della miscela dallo stampo e presenza di
vuoti intorno al provino, che hanno portato a un ridotto valore di resistenza e peso di
volume ed una maggiore variabilità nei risultati con conseguente non applicabilità per
valori di Mt < 10÷30Nm. Le medesime tecniche hanno invece dato risultati
maggiormente soddisfacenti in presenza di miscele maggiormente consistenti. I dati
ottenuti suggeriscono come l''adozione di una maggiore energia di compattazione,
quando utilizzabile, dia effetti positivi, così come indicato dal confronto tra i valori
ottenuti per le tecniche S.C.25 e S.C.50.: la prima tecnica risulta sempre non
applicabile, mentre S.C.50 risulta applicabile in un ampio range Mt = 15÷120Nm. La
tecnica D.C. risulta invece applicabile per valori di Mt > 40Nm. La tecnica RO. ha mostrato i più ampi range di applicabilità in quanto risulta essere sia lavorabilità sia operatore dipendente: quando tale tecnica viene impiegata per
le miscele molto lavorabili (a comportamento liquido) permette di applicare una energia
bassa ma sufficiente alla compattazione (assenza dei problemi riscontrati per tecniche
S.C e D.C.), mentre man mano che la lavorabilità diminuisce l'energia fornita aumenta
proporzionalmente, perché il materiale è in grado di assorbirne una maggiore aliquota.
Tali considerazioni valgono in parte anche per la tecnica TA., ma il limite di
applicabilità è risultato essere più basso perché legato al mantenimento dell''integrità
degli stampi impiegati per applicazione di sollecitazioni eccessive. Le altre tecniche
risultano essere operatore-dipendenti ma non lavorabilità-dipendenti, perché forniscono
sempre la stessa energia allo strato di miscela da compattare. Quindi la tecnica RO.
risulta maggiormente applicabile perché permette di adattare l'energia di
confezionamento alla lavorabilità della miscela. Non avendo dati sperimentali per valori di Mt > 120Nm, le tre tecniche RO., S.C.50. e D.C. sono state considerate marginalmente applicabili oltre tale limite. ' stata infine determinata una curva di calibrazione, presentata nel paragrafo seguente, per rendere fruibili da altri laboratori i risultati complessivamente ottenuti. 5.3.4 Curva di calibrazione per l''estensione dei risultati Al fine di permettere l''estensione dei risultati conseguiti in termini di range di applicabilità delle tecniche di confezionamento verso altri laboratori di Deep Mixing, è
stata elaborata una curva di calibrazione (Figura 5.26) misurando l''andamento del
parametro di lavorabilità Mt con il contenuto d''acqua wn di un terreno facilmente
disponibile come il Caolino, usando parametri fissati: Vm0 = 3dm 3; S h0 = forma di ''K' Kenwood; Rs0 = 10rpm. Le caratteristiche del Caolino impiegato (Figura 5.23, fornito dalla Bal-Co S.p.A. di Sassuolo, che si ringrazia) sono riportate in Figura 5.24. Presso il laboratorio
del DICEA sono inoltre stati determinati i limiti di Atterberg liquido e plastico, pari
rispettivamente a: wL = 40.7% e wP = 30,9%. Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 137 Figura 5.23 - Caolino impiegato nello studio sperimentale. Figura 5.24 - Caratteristiche tecniche del Caolino CAM40 macinato extra white (Bal-Co S.p.a.). Per la determinazione dei punti sperimentali della curva, si è partiti dal materiale secco (wn = 0%) provvedendo poi ad aggiungere opportune quantità di acqua (fino ad
avere wn = 90%) e seguendo la procedura descritta al § 4.4.1 ÷ 4.4.6, senza ovviamente
aggiungere legante o confezionare dei provini, ma prevedendo solo la valutazione della
lavorabilità della miscela terreno-acqua. Le immagini relative alle diverse miscele di
Caolino testate sono riportate Tabella 5.8. La misura del momento torcente relativo alla generica miscela è stata sempre affiancata da una misura eseguita mediante Laboratory vane test, al fine di garantire un
utile confronto con un metodo standardizzato (ASTM D4648-00, vedi §2.7.1) e di
comprovata validità e capace di fornire indicazioni sulla lavorabilità di una miscela. Bisogna comunque considerare come il Laboratory vane test sia fortemente influenzato dalle caratteristiche della miscela di Caolino: come si può osservare nelle
immagini riportate in Tabella 5.8, le miscele aventi un wn compreso tra 0÷50% risultano
caratterizzate da uno stato semi-solido o plastico, non siano omogenee, siano
caratterizzate dalla presenza di agglomerati di forma sferica (wn = 10÷20%) o di forma
irregolare (wn = 30÷45), alternati a vuoti di piccole-medie dimensioni. Pertanto la prova
fornirà risultati molto variabili a seconda se le alette del Laboratory vane si infiggano
all''interno di un massa di materiale oppure coinvolgano un vuoto di dimensioni non
trascurabili. Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 138 Tabella 5.8 - Caolino con contenuti d''acqua wn compresi nel range 0÷90%. wn=0% wn=10% wn=20% wn=30% ('' wP) wn=35% wn=40% ('' wL) wn=45% wn=50% wn=55% wn=60% wn=65% wn=70% wn=75% wn=80% wn=85% wn=90% Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 139 Gli errori relativi sulle misure di Laboratory vane ottenute per wn < 50%, sono mediamente pari al 29%, con punte del 44%, mentre quelli relativi alle miscele aventi
wn > 50% risultano essere tutti inferiori al 10% e quindi indice di una ottima affidabilità
del metodo di misura per le miscele più liquide (si ricorda che la procedura prevedeva
da tre a cinque misure mediante Laboratory vane test per miscela). Nel range in cui il Laboratory vane risulta essere applicabile (contenuto d''acqua pari o superiore al 50%) è possibile quindi confrontare le misure di Momento torcente
Mt eseguite per le medesime miscele (Figura 5.25). Come si può vedere dalla figura, la
correlazione lineare tra i due metodi è caratterizzata da un valore di R 2 pari a 0,97, indice di una ottima connessione tra i dati. Essendo quella del Laboratory vane Test una metodologia riconosciuta dalla comunità scientifica internazionale, regolamentata dall''ASTM D4648-00, la forte
correlazione riscontrata con il nuovo metodo proposto in questo studio risulta
importante ai fini del riconoscimento dell''efficacia del metodo stesso, che può inoltre
essere impiegato anche nei casi in cui il Laboratory vane non risulti affidabile, per i
vantaggi (elencati in § 4.4.4) relativi alla misura in continuo sulla miscela (media su più
giri) e associati alla massima rappresentatività del campione. Figura 5.25 - Relazione Momento torcente-lettura laboratory vane per wn>50%. A valle delle considerazioni espresse nel presente paragrafo si riporta in Figura 5.26 la curva di calibrazione del nuovo metodo proposto per la misura della lavorabilità.
I dati sperimentali ottenuti nel range di contenuto d''acqua 0-90% si dispongono lungo
una campana, con valore massimo tra limite plastico e limite liquido. Si è deciso di considerare come curva di calibrazione il solo ramo discendente della campana, per la difficoltà pratica di ottenere miscele sufficientemente omogenee
in corrispondenza di valori di contenuto d''acqua inferiori al limite liquido. Al ramo
discendente della curva vengono affiancati i dati ricavati mediante Laboratory vane test
nel campo di applicabilità di tale misura. y = 0.637x
R² = 0.968 0 3 6 9 12 15 0 3 6 9 12 15 L a b o ra to ry v a n e [ ] Momento torcente, Mt [N·m] Caolino Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 140 Figura 5.26 - Curva di calibrazione del metodo, riferita al materiale Caolino, fissando i parametri del miscelatore: Vm0 = 3dm 3; S h0 = forma di ''K' Kenwood; Rs0 = 10rpm. La curva riportata è suscettibile di affinamento al fine di aumentarne l''affidabilità nei punti sperimentali non indagati e per diversi Volumi di partenza V m0. La curva di calibrazione ottenuta può essere sfruttata per estendere i risultati ottenuti nel presente studio verso altri laboratori impieganti propri dispositivi di
miscelazione caratterizzati da differenti set di parametri: volume di miscela (Vm), forma
della lama miscelatrice (Sh) e velocità di rotazione (Rs). Per esempio, in seguito alla determinazione da parte di un qualunque Laboratorio ''X' della propria curva del Caolino, da riportare sullo stesso grafico di
Figura 5.26, è possibile ricavare i nuovi valori dei range di applicabilità delle tecniche
di confezionamento riportati in § 5.3.3: al generico valore di Mt* è possibile infatti
associare un nuovo valore del parametro Mt(Lab X) misurato per lo stesso contenuto d''acqua w n* della curva di calibrazione originaria, così come schematizzato in Figura 5.27. 0 6 12 18 24 30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 20 40 60 80 100 L a b o ra to ry v a n e [ ] P a ra m e tr o d i l a v o ra b il it à , M t [N m ] Contenuto d'acqua, w n [%] Curva calibrazione punti Mt punti Lab vane L.L. L.P. L.L. Limite liquido L.P. limite plastico Curva calibrazione - Caolino Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 141 Figura 5.27 - Schema tipo per il confronto con altri laboratori. 5.3.5 Conducibilità idraulica Sui provini di miscela terreno-legante sono state condotte 68 prove di conducibilità idraulica in cella triassiale, in numero quindi nettamente inferiore rispetto
alle prove ELL. Tale circostanza è legata al tempo maggiore di esecuzione richiesti
dalla prova di permeabilità, che non ha quindi permesso di ottenere dati per tutte le
miscele e tecniche di confezionamento, ma solo per alcune condizioni, generalmente
escludendo dalle prove i provini realizzati con la tecnica N.C., spesso caratterizzati da
evidenti difetti di fattura se associati a miscele poco lavorabili. I provini N.C. testati
sono infatti riferiti a miscele aventi Mt < 6Nm. Dagli andamenti parziali non è stato
quindi possibile eseguire delle analisi in parallelo con quelli relativi alle prove ELL. In Figura 5.28 sono illustrati i risultati ottenuti a 28 giorni di maturazione, mentre quelli riferiti a 7 giorni sono riportati in appendice (Figura B.12). Sono
raffigurati gli andamenti del coefficiente di permeabilità in funzione della lavorabilità
delle miscele, confrontando i valori ottenuti per le tre tecniche di confezionamento
impiegate. ' anche riportato il limite di k = 1x10 -09 m/s, indicato dalla normativa come limite di riferimento per i diaframmi con funzione di barriera idraulica di protezione
ambientale. Confrontando i dati relativi alle tecniche TA. ed RO. è possibile notare come in linea di massima siano stati ottenuti valori confrontabili di coefficiente di permeabilità a
parità di miscela, con valori generalmente inferiori per i provini realizzati mediante TA.,
pur tuttavia ricordando il ridotto numero di provini testati. Entrambe le tecniche
risultano applicabili nel range di lavorabilità indagato. 0 6 12 18 24 30 0 10 20 30 40 0 20 40 60 80 100 L a b o ra to ry v a n e [ ] P a ra m e tr o d i l a v o ra b il it à , M t [N m ] Contenuto d'acqua, w n [%] Curva calibrazione Curva Lab X punti Mt punti Lab vane Mt LabX Mt* wn* Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 142 Figura 5.28 - Valori di conducibilità idraulica in funzione della lavorabilità delle miscele e delle le tecniche di confezionamento a 28 giorni di maturazione. 5.4 Analisi dei dati relativi ad un campo prova CSM - Sapienza Università di Roma, Università di Padova e Bauer Group Le analisi di microtomografie computerizzate a raggi X riportate in Figura 5.29, condotte su un provino cilindrico di 8mm prelevato da un provino di laboratorio, hanno
evidenziato una matrice compatta ed omogenea, indice di una buona miscelazione dei
materiali, con presenza di vuoti d''aria di forma regolare e arrotondata che conferiscono
al provino un valore di porosità pari a circa l''8%. Figura 5.29 - Sezioni tomografiche trasversale e 3D di un provino proveniente dalla miscela di laboratorio. 1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 0 6 12 18 C o n d u c ib il it à i d ra u li c a , k ( m /s ) Momento torcente, Mt (Nm) RL-NC SL-NC SG-NC AP-NC RL-TA SL-TA SG-TA AP-TA PN-TA PR-TA TF-TA RL-RO SL-RO SG-RO AP-RO PN-RO PR-RO TF-RO 28 giorni Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 143 Si riportano in Figura 5.30 i risultati relativi alle prove di compressione non confinata eseguite a diversi tempi di maturazione, dai quali si riscontra un incremento di
resistenza significativo anche dopo 28 giorni di maturazione, tempo associato
all''esaurimento delle reazioni di idratazione del cemento. Questo fenomeno è dovuto
alla presenza di elementi di origine pozzolanica nell''agente legante ''Blitzdammer®'
responsabili delle reazioni a lungo termine. I valori di resistenza qu ottenuti risultano essere considerevoli (qu = 10MPa a 120giorni) sia per l''elevato quantitativo di legante introdotto, pari a circa 500kg/m3, sia
per le caratteristiche del terreno di partenza, di natura granulare (Sabbia). Figura 5.30 - Andamento della resistenza a compressione non confinata, qu. In Figura 5.31 sono illustrati i valori della conducibilità idraulica ottenuti per due provini gemelli, per i quali si riscontrano valori inferiori a 1x10 -09m/s già intorno ai 28 giorni, che arrivano a 1.7x10 -10m/s a 120 giorni di maturazione. Figura 5.31 - Andamento della conducibilità idraulica, k. 0 2 4 6 8 10 12 0 30 60 90 120 150 R e s is te n za a c o m p re s s io n e , qu (M P a ) Tempo di maturazione (giorni) Sabbia Zandvoort 1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 0 30 60 90 120 150 C o n d u c ib il it à i d ra u li c a , k ( m /s ) Tempo di maturazione (giorni) provino 1 provino 2 Capitolo 5 - Risultati ed analisi ______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 144 I dati riportati andranno integrati e confrontati con quelli ricavati a seguito di simili prove di laboratorio su campioni prelevati ''wet grab' e di opportune prove in sito
sui pannelli CSM in vera grandezza, al fine di valutare l''influenza sui risultati della
procedura di prelievo di campioni in cantiere e delle condizioni effettivamente presenti
in sito, quali temperatura di maturazione, condizioni di confinamento, eventuale
drenaggio di acqua ad opera degli strati sabbiosi, etc.. Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale CONCLUSIONI Scopo dello studio sperimentale è stato quello di fornire utili indicazioni e valido supporto verso la standardizzazione a livello nazionale ed internazionale delle procedure
di laboratorio impiegate nei processi di QC/QA (controllo ed assicurazione di qualità)
associate ad un intervento di Deep Mixing, così come richiesto dallo ''International
collaborative study on Deep Mixing' attualmente in corso, di cui la presente tesi è parte
integrante. A tal fine sono state condotte due fasi di ricerca presso il Soil Stabilisation Group ed il Foundation Group del Port and Airport Research Institute (PARI) di
Tokyo, cui è seguita una fase di estensione e validazione dei risultati presso il DICEA
(Sapienza), ed una ulteriore fase in collaborazione con l''Università di Padova e la Bauer
Group. Sono di seguito riportate le conclusioni relative ai risultati ottenuti nelle parti che hanno costituito lo studio sperimentale, unitamente a delle raccomandazioni per future
ricerche ed approfondimenti. Lavorabilità delle miscele e Applicabilità delle tecniche di confezionamento Si riportano in un unico paragrafo le conclusioni relative allo studio iniziato presso il Soil Stabilisation Group (PARI) e continuato poi in una successiva fase
temporale presso il DICEA (prima e terza parte dello studio sperimentale). In particolare sono state messe a punto due procedure di laboratorio tra loro collegate per la valutazione della lavorabilità di miscele terreno-legante e per il
confezionamento di provini stabilizzati da sottoporre alle diverse prove di laboratorio,
largamente impiegate nelle varie fasi di un intervento di Deep Mixing. Tali procedure
saranno proposte per una successiva standardizzazione a livello nazionale ed
internazionale. La procedura nuova ed alternativa per la misura della lavorabilità, basata sulla misura diretta del momento torcente (Mt) necessario per ruotare la lama di un miscelatore a contatto con la generica miscela all''interno della ciotola di miscelazione,
ha consentito di superare i limiti degli attuali dispositivi sperimentali basati sull''impiego
del ''Laboratory vane'. La nuova metodologia proposta garantisce una buona ripetibilità
della misura in un più ampio range di lavorabilità e di caratteristiche dei terreni
compresi quelli a struttura granulare. La nuova procedura è stata utilizzata per misurare la lavorabilità di miscele terreno-legante, realizzate impiegando il terreno Kawasaki clay (presso il PARI, sono
state testate 9 miscele) e sette terreni reali tipici dell''area romana (presso il DICEA,
sono state realizzate 21 miscele), a partire dalle quali sono stati realizzati circa 850
provini stabilizzati mediante diverse tecniche di confezionamento, successivamente
sottoposti a prove di laboratorio. Conclusioni _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 146 Le tecniche di confezionamento impiegate, così come indicato nello studio internazionale, sono state: Nessuna Compattazione (N.C.), Tapping (TA.), Rodding
(RO.), Compattazione Statica (S.C.25 ed S.C.50) e Compattazione Dinamica (D.C.). ' stato quindi definito un indice di applicabilità (IA) in grado di permettere la scelta della più idonea tecnica di confezionamento per una data lavorabilità della
miscela terreno-legante. L''indice IA fornisce l''indicazione sulla tecnica di
confezionamento capace sia di assicurare la massima ripetibilità dei risultati rispetto le
altre (in termini di minimi errori relativi) sia di produrre provini maggiormente
omogenei e quindi aventi le migliori proprietà fisico-meccaniche (in termini di densità e
resistenza a compressione qu). Dai dati sperimentali ottenuti, l''applicabilità di ciascuna tecnica di confezionamento per la preparazione di provini di miscela terreno-legante è risultata
funzione della lavorabilità della miscela. Considerando i dati complessivamente ottenuti presso il PARI e presso il DICEA è stato quindi possibile definire i range di applicabilità delle tecniche di
confezionamento in funzione della lavorabilità delle miscele terreno-legante (espressa
dal parametro Mt, momento torcente). In particolare: la tecnica N.C. è risultata essere applicabile per valori di Mt < 3Nm, e non applicabile per valori di Mt > 6Nm. Nel range Mt = 3÷6Nm, non essendo
possibile ricavare indicazioni univoche dai dati, tale tecnica può essere considerata
marginalmente applicabile. La tecnica TA. è risultata applicabile per valori di Mt <
65Nm, marginalmente applicabile nel range Mt = 65÷75Nm e non applicabile per Mt >
75Nm. L''impiego della tecnica RO. ha fornito generalmente i migliori risultati,
risultando sempre applicabile nel range Mt = 0÷120Nm. I dati ottenuti suggeriscono come l''adozione di una maggiore energia di compattazione, quando utilizzabile, dia
effetti positivi, così come indicato dal confronto tra i valori ottenuti per le tecniche
S.C.25 e S.C.50.: la prima tecnica risulta sempre non applicabile, mentre S.C.50 risulta
applicabile in un ampio range Mt = 15÷120Nm, e non applicabile per Mt < 10Nm. La
tecnica D.C. risulta infine applicabile per valori di Mt > 40Nm e non applicabile per Mt
< 30Nm. La tecnica RO. ha garantito il più ampio range di applicabilità in quanto
permette di adattare l'energia di confezionamento alla lavorabilità della miscela, mentre
le altre tecniche forniscono sempre la stessa energia allo strato di miscela da
compattare. Applicando la procedura di misura della lavorabilità a miscele a base di un materiale altamente reperibile come il Caolino (variando il suo contenuto d''acqua nel
range 0÷90%), è stata ricavata una curva di calibrazione, utile per rendere fruibili da
parte di altri laboratori di Deep Mixing i risultati ottenuti nello studio sperimentale. I dati e le relazioni ricavati risultano essere originali in quanto riferiti a terreni reali ed eterogenei raramente trattati in letteratura Deep Mixing ma di frequente
presenza nelle applicazioni in sito. Unitamente all''attività di laboratorio è stata condotta una ricerca bibliografica aggiornata al 2012 sullo stato dell''arte della tecnologia del Deep Mixing con particolare
riguardo alle ultime innovazioni tecnologiche e alle recenti procedure di QC/QA, di
utile riferimento per gli studiosi del settore. Conclusioni _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 147 L''estensivo programma di laboratorio svolto ha consentito di ottenere alcune utili indicazioni riguardo l''influenza delle tecniche di confezionamento sulla
rappresentatività delle prove preliminari di laboratorio così come condotte in un
trattamento di Deep Mixing. I risultati ottenuti costituiranno una base suscettibile di integrazione con i dati ricavati dalle diverse organizzazioni partecipanti al programma di ricerca internazionale
e riferiti ad altri terreni tipici. Impiego di ''tire chips' nelle miscele terreno-cemento Scopo della seconda parte di ricerca è stato quello di indagare l''effetto dell''aggiunta di tire chips (granulato di copertone) sulle proprietà meccaniche di una
miscela terreno-cemento, da impiegare nella realizzazione di una barriera impermeabile,
al fine di valutarne il mantenimento dell''efficienza prestazionale in presenza di elevate
deformazioni. Dalle prove di laboratorio eseguite nel corso dello studio condotto in collaborazione con il Foundation Group (PARI) è risultato come l''aggiunta di tire chips
a miscele di terreno-cemento abbiano l''effetto di contenere l''aumento della permeabilità
in presenza di deformazioni da stress. Sono state ottenute utili informazioni dalle analisi
delle tomografie ai raggi X condotte sui diversi provini di miscela di supporto ai
risultati conseguiti. La conducibilità idraulica dei provini testati è aumentata con il processo di compressione, con andamenti diversi a seconda della quantità delle tire chips presenti.
Nei provini con aggiunta di tire chips (contenuto pari al 10 e 20%) è stato osservato lo
sviluppo progressivo di piccole fessure diffuse, verosimilmente responsabile del minore
aumento della permeabilità a parità di step deformativo rispetto a quelli della miscela
che ne era priva, per i quali si è verificata la formazione di un unico crack continuo di
dimensioni maggiori. Per la miscela al 20% di tire chips sono state in particolare
ottenuti valori del coefficiente di permeabilità che a 28 giorni rimangono inferiori a k =
1'10 -9 m/s anche in corrispondenza di deformazioni pari all''1%. I risultati ottenuti costituiscono una utile base di conoscenza, anche se allo stato attuale limitata e da ampliare e validare mediante ulteriori studi e approfondimenti. Da
questi primi risultati c''è comunque da ritenere che le tire chips addizionate alle miscele
terreno-cemento possano essere impiegate con successo in applicazioni di ingegneria
geotecnica ambientale al fine di minimizzare la possibilità di perdita di tenuta della
barriera verticale impermeabile nei casi di deformazioni considerevoli dovute a
cedimenti differenziali o eventi sismici. Analisi dei dati relativi ad un campo prova CSM A partire dalle misure ottenute ''real time' dei parametri di produzione di alcuni pannelli CSM di prova è stato possibile individuare il binder content effettivo, utile per
ricreare il medesimo mix design in laboratorio, impiegando il terreno prelevato in sito e
il legante utilizzato in cantiere secondo gli stessi dosaggi. Sui provini confezionati in laboratorio sono state condotte prove meccaniche e fisiche i cui risultati andranno integrati e confrontati con quelli ricavati a seguito di
simili prove di laboratorio su campioni prelevati ''wet grab' e di opportune prove in sito Conclusioni _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 148 sui pannelli CSM in vera grandezza, al fine di valutare l''influenza sui risultati della
procedura di prelievo di campioni in cantiere e delle condizioni effettivamente presenti
in sito, quali: temperatura di maturazione, condizioni di confinamento, eventuale
drenaggio di acqua ad opera degli strati sabbiosi, etc.. Raccomandazioni per future ricerche La ricerca presentata nel lavoro, focalizzata sulla standardizzazione delle procedure di laboratorio impiegate nei processi di QC/QA, può essere approfondita ed
ampliata in diversi modi. Si ricorda come i risultati ottenuti costituiranno una base
suscettibile di integrazione con i dati ricavati dalle diverse organizzazioni partecipanti al
programma di ricerca internazionale che saranno presentati nella futura ''International
Conference on Deep Mixing - 2015', San Francisco, USA. I principali campi delle possibili future ricerche includono: 1. Studio comparativo tra i risultati ottenuti in laboratorio e quelli in sito a seguito di campi prova in vera grandezza al fine di ottenere utili
indicazioni verso l''individuazione delle procedure di laboratorio
maggiormente rappresentative delle reali condizioni sito-specifiche (es.
condizioni di confinamento, effetto della falda) e su come pianificare al
meglio le operazioni progettuali; 2. Studio degli effetti a breve e lungo termine di contaminanti organici ed inorganici anche in combinazione con le possibili condizioni ambientali
(es. temperatura) sulla degradazione delle caratteristiche fisiche e
meccaniche dei terreni trattati e degli eventuali additivi presenti (quali ad
esempio le tire chips, granulato di copertone); 3. Sperimentazione di nuovi leganti o additivi performanti che possano risultare maggiormente ecocompatibili e a ridotto consumo di CO2
rispetto al cemento Portland.
Contatti enrico.leder@email.it enrico.leder@pec.ording.roma.it Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale APPENDICE A - Formule di passaggio laboratorio/sito Le formule riportate nella presente appendice sono impiegate per la valutazione dei parametri di miscelazione in laboratorio e per il passaggio ai rispettivi parametri in
sito. In particolare si fa riferimento all''impiego di una malta cementizia binaria
costituita da acqua e legante. Per quanto riguarda l''applicazione in sito ci si riferisce alla
tecnologia del Cutter Soil Mixing e al metodo monofase, che prevede l''iniezione della
malta sia in fase di discesa sia di risalita. A.1 Definizioni Parametri relativi alla malta cementizia: P = peso malta cementizia [kg] V = volume malta cementizia [l '' dm 3] Pc , Pw = peso legante, acqua [kg] Vc , Vw = Volume legante, acqua [l '' dm 3] ρ c , ρw = densità legante, acqua [kg/dm 3]  ' c w P P = rapporto in peso acqua legante (w/c) [-] ρ malta = densità malta cementizia [kg/dm 3] Parametri relativi alla miscela terreno-malta: PT = peso terreno secco [kg] PTU = peso terreno umido [kg] wn = contenuto acqua terreno [%] ac = binder content, contenuto legante (rapporto peso legante rispetto al peso secco del terreno) [%] δ = rapporto in peso malta/terreno [-]
γ TU = peso di volume terreno [kN/m 3] γ malta = peso di volume malta = ρmalta x 10 [kN/m 3] γ mix = peso di volume miscela terreno-malta [kN/m 3] PT1 = peso terreno secco in 1m 3 di miscela terreno-malta [kg] Vmalta(1m 3) = Volume malta in 1m3 di miscela terreno-malta [l/m3 miscela] Vmalta = Volume malta in 1m 3 di terreno attraversato [l/m3 terreno] α = binder factor, fattore legante (kg legante rispetto 1m3 di terreno attraversato) [kg/m 3 terreno] Appendice A - Formule di passaggio laboratorio/sito _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 150 A.2 Calcolo densità della malta cementizia: 1 ' P ; 1 ' ' w c P P  ' ' 1 1 c P ,   ' ' 1 w P ' '    ' ' ' 1 1 c c c c P V ; ' '     ' ' ' 1 w w w w P V ' ' ' ' ' ' w c w c w c w c malta V V V P             ' '' ' '' ' ' ' ' ' ' ' ' 1 1 1 1 1 1 A.3 Calcolo δ rapporto in peso malta/terreno e γmix peso di volume miscela terreno-
malta:
1 ' T P ; 100 1 1 n TU w P '' ' ' 100 1 c c a P '' ' , ;  '' '' ' 100 1 c w a P TU w c P P P ' '  ' ' malta TU malta TU mix        ' '' ' '' ' 1 (stessa formula impiegata per il calcolo di ρmalta) A.4 Calcolo volume malta in 1m 3 di miscela terreno-malta: '' ' ' '' ' ' ' '' ' ' '' '' ' 100 100 100 1 100 1 ) 1 ( 3 n c c mix T w a a m P   100 ) 1 ( 3 c T c a m P P '' ' ; c w P P '' '  w w c c w c malta P P V V m V   ' ' ' ' ) 1 ( 3 A.5 Calcolo Volume di malta in 1m 3 di terreno attraversato e binder factor α: ) 1 ( 1000 1000 ) 1 ( 3 3 m V m V V malta malta malta ' ' '   '' ' w P          '' '' '' ' ' ' ' ' ' w c c w w w c w c malta P V V V malta c w w c V '' '' ' '' '       Appendice A - Formule di passaggio laboratorio/sito _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 151 Figura A.1 - Parametri relativi alla miscelazione in laboratorio. Appendice A - Formule di passaggio laboratorio/sito _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 152 Figura A.2 - Parametri relativi alla miscelazione in sito, ottenuti a partire dallo studio di laboratorio (Figura A.1). Appendice A - Formule di passaggio laboratorio/sito _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 153 Figura A.3 - Schemi relativi alla miscelazione in sito. Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale APPENDICE B - Integrazione dei risultati sperimentali B.1 Integrazione risultati § 5.1 Figura B.1 - Peso di volume, γ, vs resistenza a compressione qu per i tre gruppi di miscele. Figura B.2 - Relazioni tra Modulo secante, E50, e resistenza a compressione qu per i tre gruppi di miscele. 28 giorni Gruppo A 11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 0 500 1,000 Resistenza q u (kPa) P e s o d i v o lu m e , γ ( k N /m 3 ) N.C. TA. RO. S.C.25 D.C. 28 giorni Gruppo B 11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 Resistenza qu (kPa) P e s o d i v o lu m e , γ ( k N /m 3 ) N.C. TA. RO. S.C.25 S.C.50 D.C. 28 giorni Gruppo C 11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 Resistenza qu (kPa) P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) NC. TA. RO. S.C.25 SC.50 D.C. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 200 400 600 800 1,000 Resistenza qu (kPa) M o d u lo s e c a n te , E 50 ( M P a ) NC TA RO SC25 DC min max E 50 = 210qu E 50 = 60qu 7 e 28 giorni Gruppo A 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 Resistenza qu (kPa) M o d u lo s e c a n te , E 50 ( M P a ) NC TA RO SC25 SC50 DC min max E 50 = 320qu E 50 = 60qu 7 e 28 giorni Gruppo B 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 Resistenza qu (kPa) M o d u lo s e c a n te , E 50 ( M P a ) NC TA RO SC25 SC50 DC min max E 50 = 270qu E 50 = 60qu 7 e 28 giorni Gruppo C Appendice B - Integrazione dei risultati sperimentali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 155 B.2 Integrazione risultati § 5.3 Figura B.3 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno RL, riporto limoso). Figura B.4 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno SL, Sabbia limosa). Figura B.5 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno SG, Sabbia ghiaiosa). 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 4 8 12 16 R e s is te n z a qu (k P a ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni RL 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 0 4 8 12 16 P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni RL 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 4 8 12 16 R e s is te n z a qu (k P a ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni SL 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 0 4 8 12 16 P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni SL 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 4 8 12 16 R e s is te n z a qu (k P a ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni SG 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 0 4 8 12 16 P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni SG Appendice B - Integrazione dei risultati sperimentali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 156 Figura B.6 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno AP, argilla pliocenica). Figura B.7 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno PN, Pozzolana nera). Figura B.8 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno PR, Pozzolana rossa). 0 50 100 150 200 250 300 350 0 4 8 12 16 R e s is te n z a qu (k P a ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni 7 e 28 giorn AP 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 0 4 8 12 16 P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni 7 e 28 giorn AP 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 4 8 12 16 R e s is te n z a qu (k P a ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni PN 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 0 4 8 12 16 P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni PN 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 4 8 12 16 R e s is te n z a qu (k P a ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni PR 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 0 4 8 12 16 P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni PR Appendice B - Integrazione dei risultati sperimentali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 157 Figura B.9 - Resistenza qu per le diverse tecniche di confezionamento in funzione della lavorabilità della miscela (terreno TF, Tufi argillificati). Tabella B.1 - Rapporti E50/qu in funzione delle tecniche di confezionamento per i terreni miscelati con malta cementizia. Tipo terreno Contenuto acqua, wn (%) Parametri malta cementizia Rapporti E50/qu N.C. TA. RO. Globale min max min max min max min max RL 20 - 40 ac = 10% w/c = 1 60 170 40 110 40 140 40 170 SL 35 - 45 50 130 40 100 40 80 40 130 SG 6 -10 50 130 50 170 70 140 50 170 AP 50 - 60 60 180 80 180 50 180 50 180 PN 25 - 35 ac = 10% w/c = 0,5 40 90 40 100 40 150 40 150 PR 20 - 32 30 140 30 160 40 100 30 160 TF 44 - 53 30 90 30 80 40 110 30 110 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 4 8 12 16 R e s is te n z a qu (k P a ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni TF 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 0 4 8 12 16 P e s o d i v o lu m e , γ (k N /m 3 ) Momento torcente, Mt (Nm) NC7 TA7 RO7 NC28 TA28 RO28 7 e 28 giorni TF Appendice B - Integrazione dei risultati sperimentali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 158 Figura B.10 - Relazioni tra Modulo secante, E50, e resistenza a compressione qu per le miscele realizzate a partire dai sette terreni reali. 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 M o d u lo s e c a n te E 50 (M P a ) Resistenza a compressione qu (kPa) R-NC R-TA R-RO min max E50 = 170 qu E50 = 40 qu 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 M o d u lo s e c a n te , E 50 (M P a ) Resistenza a compressione qu (kPa) SL-NC SL-TA SL-RO min max E50 = 130 qu E50 = 40 qu 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 M o d u lo s e c a n te , E 50 (M P a ) Resistenza a compressione qu (kPa) SG-NC SG-TA SG-RO min max E50 = 170 qu E50 = 50 qu 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 100 200 300 400 500 M o d u lo s e c a n te , E 50 (M P a ) Resistenza a compressione qu (kPa) AP-NC AP-TA AP-RO min max E50 = 180 qu E50 = 50 qu 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 M o d u lo s e c a n te E 50 (M P a ) Resistenza a compressione qu (kPa) PN-NC PN-TA PN-RO min max E50 = 150 qu E50 = 40 qu 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 M o d u lo s e c a n te E 50 (M P a ) Resistenza a compressione qu (kPa) PR-NC PR-TA PR-RO min max E50 = 160 qu E50 = 30 qu 0 50 100 150 200 250 300 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 M o d u lo s e c a n te E 50 (M P a ) Resistenza a compressione qu (kPa) TF-NC TF-TA TF-RO min max E50 = 110 qu E50 = 30 qu Appendice B - Integrazione dei risultati sperimentali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 159 Figura B.11 - Andamento dei parametri N ed E - miscele testate presso il DICEA. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 P a ra m e tr o N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF limite KC TAPPING 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 P a ra m e tr o N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF limite KC RODDING 28 giorni 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 6.00 12.00 18.00 P a ra m e tr o N Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF limite KC NESSUNA COMPATTAZIONE 28 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 P a ra m e tr o E Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF limite 0.07 TAPPING 28 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 P a ra m e tr o E Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR RODDING 28 giorni 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.00 6.00 12.00 18.00 P a ra m e tr o E Momento torcente, Mt (Nm) RL SL SG AP PN PR TF limite 0.07 NESSUNA COMPATTAZIONE 28 giorni Appendice B - Integrazione dei risultati sperimentali _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 160 Figura B.12 - Valori del coefficiente di permeabilità in funzione della lavorabilità delle miscele e delle le tecniche di confezionamento a 7 giorni di maturazione. 1.0E-11 1.0E-10 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 1.0E-06 0 6 12 18 C o n d u c ib il it à i d ra u li c a , k ( m /s ) Momento torcente, Mt (Nm) RL-NC SL-NC SG-NC AP-NC RL-TA SL-TA SG-TA AP-TA RL-RO SL-RO SG-RO AP-RO PN-RO PR-RO TF-RO 7 giorni Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale PRODOTTI DELLA RICERCA Conferenze internazionali 1) GRISOLIA M., LEDER E., MARZANO I.P. (2013) ''Standardization of the molding procedures for stabilized soil specimens as used for QC/QA in Deep
Mixing application' Proceedings of the 18 th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ICSMGE), 02-06 Set. 2013 Paris, France. 2) BELLATO D., SIMONINI P., GRISOLIA M., LEDER E., MARZANO I.P. (2013) ''Quality control of Cutter Soil Mixing (CSM) technology '' a case study'
Proceedings of the 18 th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ICSMGE), 02-06 Set. 2013, Paris, France. 3) BELLATO D., SIMONINI P., MARZANO I.P., LEDER E., GRISOLIA M.,VOHS T., GERRESSEN F.W (2012) ''Mechanical and physical properties of a
CSM cut-off/retaining wall' International Conference on Ground Improvement and
Ground Control (ICGI 2012), 30 Oct. - 2 Nov. 2012, University of Wollongong,
Australia. 4) MARZANO I.P., LEDER E., GRISOLIA M., DANISI C., (2012). ''Laboratory study on the molding techniques for QC/QA process of a Deep Mixing
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Geotechnical Engineering, 28-30 June 2012, Near East University, Nicosia, North
Cyprus. ISBN 975-8359-28-2. 5) GRISOLIA M., KITAZUME M., LEDER E., MARZANO I.P., MORIKAWA Y. (2012) ''Laboratory study on the applicability of molding procedures
for the preparation of cement stabilised specimens' Int. Symp. on Recent Research,
Advances & Execution Aspects of ground improvement works, Brussels. 6) GRISOLIA M., LEDER E., MARZANO I.P., MIZUTANI T., MORIKAWA Y. (2012) ''Influence of tire chips on the mechanical properties of cement
treated soil' Int. Symp. on Recent Research, Advances & Execution Aspects of ground
improvement works, Brussels. 7) GRISOLIA M., MARZANO I.P., DE LENTINIS D., LEDER E. (2010). ''Performance of CSM stabilised soils for application in geotechnical complex
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Convegni nazionali 1) BELLATO D., GERRESSEN F.W., GRISOLIA M., LEDER E., MARZANO I.P., SIMONINI, P., VOHS T. (2012). ''Procedure di QC/QA per
trattamenti di tipo soil mixing - Considerazioni energetiche'. IARG 2012, Padova, 2 - 4
Luglio 2012. ISBN: 978-88-89524-67-1. Prodotti della ricerca _______________________________________________________________________ Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale 162 2) GRISOLIA M., LEDER E., MARZANO I.P. (2012). ''Applicabilità delle tecniche di confezionamento dei provini per miscele terreno cemento' IARG
2012, Padova, 2 - 4 Luglio 2012. ISBN: 978-88-89524-67-1. 3) GRISOLIA M., MARZANO I.P., LEDER E. (2011) ''Tecniche di cinturazione dei siti contaminati'. In: convegni nazionali, RemTech 2011, Ferrara.
ISBN 978-88-904428-5-8. 4) GRISOLIA M., KITAZUME M., LEDER E., MARZANO I.P. (2011) ''Studio comparativo sulla standardizzazione internazionale delle procedure di
laboratorio per il confezionamento di miscele terreno cemento'. IARG 2011, Torino. 5) GRISOLIA M., LEDER E., MARZANO I.P., MIZUTANI T. (2011) ''Effetto di ''tire chips' sulle proprietà meccaniche di miscele terreno cemento per
applicazioni di geotecnica ambientale'. IARG 2011, Torino. 6) LEDER E., KITAZUME M., GRISOLIA M., MORIKAWA Y., MARZANO I.P., NINOMIYA Y., KUWAHARA T. (2011) ''Applicability of different
molding procedures for the preparation of stabilised specimens'. The 46th Japan
National Conference on Geotechnical Engineering (CD-ROM), Kobe, Giappone.
Rivista 1) GRISOLIA M., KITAZUME M., LEDER E., MARZANO I.P., MORIKAWA Y. (2013). ''Laboratory techniques for cement soil stabilisation'
Geotechnical Testing Journal, under review. 2) GRISOLIA M., LEDER E., MARZANO I.P., (2013). ''Standardization of the laboratory procedures as used for QC/QA in Deep Mixing application' Canadian
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Report 1) MARZANO I.P., LEDER E., GRISOLIA M., (2012). ''Report on current and future research activity' Int. collaborative study on Deep Mixing - Task 2: Field
and laboratory testing methods. Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale ATTIVIT' FORMATIVA Partecipazione a conferenze internazionali - International Symposium & short courses on Recent Research, Advances & Execution Aspects of GROUND IMPROVEMENT WORKS. ISSMGE Technical
Committee TC 211 Ground Improvement. Bruxelles, Belgio, 30 Maggio '' 1 Giugno
2012. - 4th International Conference on Grouting and Deep Mixing. Marriott, New Orleans, Louisiana, USA, 15-18 Febbraio 2012. - 8th Conference on Urban Earthquake Engineering. Center for Urban Earthquake Engineering, Tokyo Institute of Technology. Tokyo, Giappone, 7-8 Marzo
2011. - International Symposium on Recent and Future Technology in Coastal Development. Port and Airport Research Institue (PARI), Kanto Regional Development
Bureau, Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism (MLIT). Yokohama,
Giappone, 14-16 Dicembre 2010. Partecipazione a conferenze nazionali - Ciclo di conferenze Alta Scuola 2012. Nuove Tecnologie per l''Ingegneria l''Ambiente ed il Territorio. SAIE, Bologna 18-21 Ottobre 2012. - IARG 2012, Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica. Centro culturale San Gaetano, Padova 2-4 Luglio 2012. - XXIII Ciclo delle conferenze di Geotecnica di Torino. Opere di sostegno e stabilizzazione dei pendii: principi teorici, aspetti progettuali ed esempi applicativi.
Politecnico di Torino, Torino 23-24 Novembre 2011. - Remtech 2011 '' Remediation Technology. 5° salone sulle Bonifiche dei Siti Contaminati e sulla Riqualificazione del Territorio. Ferrara fiere congressi, Ferrara 28-
30 Settembre 2011. - IARG 2011, Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica. Politecnico di Torino, Torino 4-6 Luglio 2011. - Workshop SiCon 2010 - SITI CONTAMINATI Esperienze negli interventi di risanamento. Sapienza, Università di Roma. Roma, Italia, 11-12 Febbraio 2010. - IARG 2009, Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica, Sapienza, Università di Roma. Roma, Italia, 9 - 11 Settembre 2009. Enrico Leder '' XXV Ciclo Dottorato di ricerca in Ingegneria Ambientale BIBLIOGRAFIA 'hnberg, H. (2003). ''Measured Permeabilities in Stabilized Swedish Soils.' Proceedings of 3 rd International Conference on Grouting and Ground Treatment, New Orleans, ASCE Special Publication, Vol. 1, pp. 622-633. 'hnberg, H., Holm, G., (2009): ''Influence of laboratory procedures on properties of stabilised soils specimens,' International Symposium on Deep Mixing &
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